DE102019100607A1 - Desulphurisation arrangement and method for exchanging a desulphurisation unit in a fuel cell system - Google Patents

Desulphurisation arrangement and method for exchanging a desulphurisation unit in a fuel cell system Download PDF

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Entschwefelungsanordnung (1) für ein Brennstoffzellensystem (2), aufweisend eine Haupt-Entschwefelungseinheit (3) zum Entschwefeln von Brennstoff für das Brennstoffzellensystem (2) in einer Haupt-Brennstoffpassage (4) des Brennstoffzellensystems (2) während einer Normalbetriebsphase, in welcher das Brennstoffzellensystem (2) überwiegend betrieben wird, eine Puffer-Entschwefelungseinheit (5) zum Entschwefeln des Brennstoffs in einer zumindest abschnittsweise parallel zur Haupt-Brennstoffpassage (4) ausgestalteten Neben-Brennstoffpassage (6) des Brennstoffzellensystems (2), die einen Bypass zur Haupt-Entschwefelungseinheit (3) bildet, in einer Austauschbetriebsphase des Brennstoffzellensystems (2), in welcher ein Austausch der Haupt-Entschwefelungseinheit (3) durchgeführt wird, und eine Haupt-Sperrvorrichtung (7, 8) zum Sperren der Haupt-Brennstoffpassage (4) zumindest abschnittsweise stromaufwärts und stromabwärts der Haupt-Entschwefelungseinheit (3) während der Austauschbetriebsphase des Brennstoffzellensystems (2). Die Erfindung betrifft ferner ein Brennstoffzellensystem (2) mit einer erfindungsgemäßen Entschwefelungsanordnung (1) sowie ein Verfahren zum Austauschen einer Entschwefelungseinheit (3) in einem Brennstoffzellensystem (2) mit einer erfindungsgemäßen Entschwefelungsanordnung.

Figure DE102019100607A1_0000
The present invention relates to a desulfurization arrangement (1) for a fuel cell system (2), comprising a main desulfurization unit (3) for desulfurizing fuel for the fuel cell system (2) in a main fuel passage (4) of the fuel cell system (2) during a normal operation phase , in which the fuel cell system (2) is operated predominantly, a buffer desulfurization unit (5) for desulfurizing the fuel in an at least partially parallel to the main fuel passage (4) configured secondary fuel passage (6) of the fuel cell system (2), the one Bypass to the main desulfurization unit (3), in an exchange operation phase of the fuel cell system (2), in which an exchange of the main desulfurization unit (3) is performed, and a main lock device (7, 8) for blocking the main fuel passage ( 4) at least in sections upstream and downstream of the main desulfurization unit (3) during the exchange operation phase of the fuel cell system (2). The invention further relates to a fuel cell system (2) having a desulfurization arrangement (1) according to the invention and to a method for exchanging a desulfurization unit (3) in a fuel cell system (2) with a desulfurization arrangement according to the invention.
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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Entschwefelungsanordnung zum Entschwefeln von Brennstoff für ein Brennstoffzellensystem. Die Erfindung betrifft ferner ein Brennstoffzellensystem, insbesondere ein stationäres Brennstoffzellensystem, mit einer Entschwefelungsanordnung. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Austauschen einer Entschwefelungseinheit in einem Brennstoffzellensystem.The present invention relates to a desulfurization arrangement for desulfurizing fuel for a fuel cell system. The invention further relates to a fuel cell system, in particular a stationary fuel cell system, with a desulfurization. Moreover, the invention relates to a method for exchanging a desulfurization unit in a fuel cell system.

Bei einem stationären Brennstoffzellensystem ist es stets ein Ziel, dieses aufgrund von langen Startzeiten durchgehend in Betrieb zu haben. Hierbei tritt das Problem auf, dass in das Brennstoffzellensystem kein oder zumindest nur eine geringe Menge an Schwefel gelangen darf, um eine Degeneration des Systems zu verhindern. Im verwendeten Brennstoff ist jedoch Schwefel vorhanden ist, weshalb das Brennstoffzellensystem regelmäßig von diesem befreit werden muss. Im Stand der Technik werden hierzu Entschwefelungseinheiten verwendet, welche regelmäßig, beispielsweise jährlich, getauscht werden müssen. Derartige Brennstoffzellensysteme sind aus der DE 201 22 157 U1 und der US 2012 / 0040256 A1 bekannt. Zum Austausch der Entschwefelungseinheiten muss das Brennstoffzellensystem jedoch entweder ausgeschalten oder zumindest die Stromproduktion eingestellt werden muss, um zu vermeiden, dass schwefelhaltiges Gas in Systemkomponenten gelangen und in diesen eine Degeneration hervorrufen kann. Dies ist hinsichtlich des vorstehend genannten Ziels der möglichst unterbrechungsfreien Betriebsweise des Brennstoffzellensystems unbefriedigend.In a stationary fuel cell system, it is always a goal to have this continuously in operation due to long start times. Here, the problem arises that no or at least only a small amount of sulfur may enter the fuel cell system in order to prevent degeneration of the system. In the fuel used, however, sulfur is present, which is why the fuel cell system must be regularly freed from this. In the prior art desulfurization units are used for this purpose, which regularly, for example, annually, must be replaced. Such fuel cell systems are from the DE 201 22 157 U1 and the US 2012/0040256 A1 known. However, in order to replace the desulfurization units, the fuel cell system either has to be switched off or at least the power production has to be adjusted in order to prevent sulfur-containing gas from entering system components and causing degeneration in them. This is unsatisfactory with regard to the above-mentioned goal of the interruption-free as possible operation of the fuel cell system.

Ein weiteres Problem bei gattungsgemäßen Brennstoffzellensystemen ist es, dass es sich beim Austausch der im Stand der Technik bekannten Entschwefelungseinheiten aktuell nicht vermeiden lässt, dass Sauerstoff, wenn auch nur in geringen Mengen, in das Brennstoffzellensystem gelangt. Nachdem der Brennstoff, beispielsweise in Form von Erdgas, in einem Reformer eines Brennstoffzellensystems in wasserstoff- und kohlenmonoxidreiches Gas reformiert wurde, gelangt er zum Anodenabschnitt des Brennstoffzellensystems. Dadurch kann nach dem Austausch der Entschwefelungseinheit im Betrieb des Brennstoffzellensystems Sauerstoff zum Anodenabschnitt gelangen. Sauerstoff ist während des Betriebs des Brennstoffzellensystems allerdings schädlich für den Anodenabschnitt. Bei Verwendung von nur einer einzigen Entschwefelungseinheit mit Bypassleitung kann bei einem Austausch derselben hingegen für kurze Zeit nichtentschwefeltes Gas an den Anodenabschnitt gelangen, wodurch Schwefel die Zellen dort vergiften kann.A further problem with generic fuel cell systems is that, when replacing the desulfurization units known in the prior art, it is currently unavoidable that oxygen, even if only in small amounts, enters the fuel cell system. After the fuel, for example in the form of natural gas, has been reformed into hydrogen and carbon monoxide rich gas in a reformer of a fuel cell system, it passes to the anode section of the fuel cell system. As a result, oxygen can reach the anode section after the replacement of the desulfurization unit during operation of the fuel cell system. However, oxygen is detrimental to the anode section during operation of the fuel cell system. When using only a single desulfurization unit with bypass line, however, in a replacement of the same can go for a short time non-desulfurized gas to the anode section, which sulfur can poison the cells there.

Werden zwei parallele Entschwefelungseinheiten verwendet, lässt sich zwar die Unterbrechung des Betriebs vermeiden, allerdings kann durch den Austausch der Entschwefelungseinheiten noch Sauerstoff in den Anodenabschnitt gelangen.If two parallel desulfurization units are used, the interruption of the operation can indeed be avoided, but oxygen can still enter the anode section through the replacement of the desulfurization units.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, der voranstehend beschriebenen Problematik zumindest teilweise Rechnung zu tragen. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Entschwefelungsanordnung für ein Brennstoffzellensystem, ein Brennstoffzellensystem sowie ein Verfahren zum Austauschen einer Entschwefelungseinheit in einem Brennstoffzellensystem zu schaffen, mittels welcher Brennstoff für das Brennstoffzellensystem bei unterbrechungsfreier Betriebsweise des Brennstoffzellensystems auch über lange Zeiträume zuverlässig entschwefelt werden kann.Object of the present invention is to at least partially take into account the problem described above. In particular, it is an object of the present invention to provide a desulfurization for a fuel cell system, a fuel cell system and a method for replacing a desulfurization in a fuel cell system, by means of which fuel for the fuel cell system in uninterrupted operation of the fuel cell system can be reliably desulfurized for long periods of time.

Die voranstehende Aufgabe wird durch die Patentansprüche gelöst. Insbesondere wird die voranstehende Aufgabe durch die Entschwefelungsanordnung gemäß Anspruch 1, das Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 7 sowie das Verfahren gemäß Anspruch 11 gelöst. Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit der Entschwefelungsanordnung beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem, dem erfindungsgemäßen Verfahren und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.The above object is solved by the claims. In particular, the above object is achieved by the desulfurization arrangement according to claim 1, the fuel cell system according to claim 7 and the method according to claim 11. Further advantages of the invention will become apparent from the dependent claims, the description and the drawings. In this case, features and details that are described in connection with the desulfurization, of course, also in connection with the fuel cell system according to the invention, the inventive method and in each case vice versa, so with respect to the disclosure of the individual aspects of the invention always reciprocal reference is or may be.

Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Entschwefelungsanordnung für ein Brennstoffzellensystem zur Verfügung gestellt. Die Entschwefelungsanordnung weist eine Haupt-Entschwefelungseinheit zum Entschwefeln von Brennstoff für das Brennstoffzellensystem in einer Haupt-Brennstoffpassage des Brennstoffzellensystems während einer Normalbetriebsphase, in welcher das Brennstoffzellensystem überwiegend betrieben wird, auf. Ferner weist die Entschwefelungsanordnung eine Puffer-Entschwefelungseinheit zum Entschwefeln des Brennstoffs in einer zumindest abschnittsweise parallel zur Haupt-Brennstoffpassage ausgestalteten Neben-Brennstoffpassage des Brennstoffzellensystems, die einen Bypass zur Haupt-Entschwefelungseinheit bildet, in einer Austauschbetriebsphase des Brennstoffzellensystems, in welcher ein Austausch der Haupt-Entschwefelungseinheit durchgeführt wird, auf. Außerdem weist die Entschwefelungsanordnung eine Haupt-Sperrvorrichtung, zum Sperren der Haupt-Brennstoffpassage zumindest abschnittsweise stromaufwärts und stromabwärts der Haupt-Entschwefelungseinheit während der Austauschbetriebsphase des Brennstoffzellensystems, auf.According to a first aspect of the present invention, a desulfurization arrangement for a fuel cell system is provided. The desulfurization assembly includes a main desulfurization unit for desulphurizing fuel for the fuel cell system in a main fuel passage of the fuel cell system during a normal operation phase in which the fuel cell system is predominantly operated. Furthermore, the desulfurization arrangement has a buffer desulphurisation unit for desulphurizing the fuel in a sub-fuel passage of the fuel cell system which is at least partially parallel to the main fuel passage and forms a bypass to the main desulphurisation unit in an exchange operating phase of the fuel cell system in which an exchange of the main fuel Desulfurization is performed on. In addition, the desulfurization arrangement includes a main blocking device for blocking the main fuel passage at least in sections upstream and downstream of the main desulfurization unit during the replacement operation phase of the fuel cell system.

Unter Verwendung der parallel zur Haupt-Entschwefelungseinheit anordenbaren Puffer-Entschwefelungseinheit kann das Brennstoffzellensystem auch im Austauschbetriebszustand durchgehend mit entschwefeltem Brennstoff betrieben werden. D.h., die Puffer-Entschwefelungseinheit ist vollständig unabhängig von der Haupt-Entschwefelungseinheit betreibbar. Durch die Haupt-Sperrvorrichtung kann gewährleistet werden, dass eine alte bzw. verbrauchte Haupt-Entschwefelungseinheit schnell und einfach durch eine neue Haupt-Entschwefelungseinheit ersetzt werden kann. Während des Austauschbetriebszustandes kann der Brennstoff vollständig durch die Puffer-Entschwefelungseinheit entschwefelt und anschließend an die gewünschte Position, insbesondere an einen Anodenabschnitt eines Brennstoffzellenstapels des Brennstoffzellensystems, geleitet werden. Folglich kann mit Hilfe der erfindungsgemäßen Entschwefelungsanordnung die Haupt-Entschwefelungseinheit während des Betriebs des Brennstoffzellensystems derart ausgetauscht werden, dass die Brennstoffversorgung des Brennstoffzellensystems während des Austausches nicht ausgeschaltet werden muss und somit durch das Brennstoffzellensystem auch während des Austausches durchgehend Strom erzeugen werden kann.By using the buffer desulfurization unit, which can be arranged in parallel with the main desulfurization unit, the fuel cell system can also be continuously operated with desulphurised fuel even in the exchange mode. That is, the buffer desulfurization unit is operable completely independently of the main desulfurization unit. By means of the main blocking device, it can be ensured that an old or main desulphurisation unit can be replaced quickly and easily by a new main desulphurisation unit. During the replacement operation state, the fuel can be completely desulfurized by the buffer desulfurization unit and then directed to the desired position, in particular to an anode section of a fuel cell stack of the fuel cell system. Consequently, with the aid of the desulfurization arrangement according to the invention, the main desulfurization unit can be exchanged during operation of the fuel cell system such that the fuel supply of the fuel cell system does not have to be switched off during the exchange and thus can continuously generate electricity through the fuel cell system even during the exchange.

Die Haupt-Entschwefelungseinheit ist zum Entschwefeln von Brennstoff konfiguriert, der im Brennstoffzellensystem genutzt wird. Die Haupt-Entschwefelungseinheit ist insbesondere zur Bereitstellung von entschwefeltem Brennstoff für einen Anodenabschnitt eines Brennstoffzellenstapels des Brennstoffzellensystems ausgestaltet.The main desulfurization unit is configured to desulfurize fuel used in the fuel cell system. The main desulfurization unit is designed in particular for providing desulfurized fuel for an anode section of a fuel cell stack of the fuel cell system.

Zum Sperren der Haupt-Brennstoffpassage stromaufwärts und stromabwärts der Haupt-Entschwefelungseinheit ist die Haupt-Sperrvorrichtung in einen Sperrzustand schaltbar. Die Haupt-Sperrvorrichtung ist hierzu vorzugsweise als Ventilanordnung ausgestaltet. Zum Sperren der Haupt-Brennstoffpassage stromaufwärts und stromabwärts der Haupt-Entschwefelungseinheit weist die Haupt-Sperrvorrichtung bevorzugt wenigstens ein erstes Hauptsperrventil zum Sperren der Haupt-Brennstoffpassage stromaufwärts der Haupt-Entschwefelungseinheit und wenigstens ein zweites Hauptsperrventil zum Sperren der Haupt-Brennstoffpassage stromabwärts der Haupt-Entschwefelungseinheit auf. Für den Normalbetriebszustand kann die Haupt-Sperrvorrichtung in einen Durchlasszustand zum Freigeben der Haupt-Brennstoffpassage stromaufwärts und stromabwärts der Haupt-Entschwefelungseinheit geschaltet werden. Während der Austauschbetriebsphase ist die Haupt-Sperrvorrichtung in den Sperrzustand schaltbar. Gleichwohl kann die Haupt-Sperrvorrichtung während der Austauschbetriebsphase auch in einen Durchlasszustand oder in einen teilweisen Durchlasszustand geschaltet werden, in welchem sich beispielsweise das erste Hauptsperrventil in einem Durchlasszustand und das zweite Hauptsperrventil in einem Sperrzustand befinden.For blocking the main fuel passage upstream and downstream of the main desulfurization unit, the main lock device is switchable to a lock state. For this purpose, the main blocking device is preferably designed as a valve arrangement. For blocking the main fuel passage upstream and downstream of the main desulfurization unit, the main lock device preferably includes at least a first main shut-off valve for shutting off the main fuel passage upstream of the main desulfurization unit and at least a second main shut-off valve for shutting off the main fuel passage downstream of the main desulfurization unit on. For the normal operation state, the main stopper may be switched to a passage state for releasing the main fuel passage upstream and downstream of the main desulfurization unit. During the replacement phase of operation, the main blocking device is switchable to the blocking state. However, during the replacement operation phase, the main lock-up device may also be switched to an on-state or a partial-on state in which, for example, the first master cut valve is in an on-state and the second master-off valve is in a cut-off state.

Die Entschwefelungsanordnung ist insbesondere für ein stationäres Brennstoffzellensystem ausgelegt. Zur Entschwefelung des Brennstoffs weisen die Haupt-Entschwefelungseinheit und die Puffer-Entschwefelungseinheit Entschwefelungsmaterial zur verfahrenstechnischen Entfernung von Schwefel und/oder schwefelhaltigen Verbindungen aus dem Brennstoff auf.The desulfurization is especially designed for a stationary fuel cell system. For desulfurization of the fuel, the main desulfurization unit and the buffer desulfurization unit have desulphurisation material for the process-related removal of sulfur and / or sulfur-containing compounds from the fuel.

Zum Sperren und Freigeben der Haupt-Sperrvorrichtung kann ein geeignetes Steuergerät bereitgestellt sein. Das Steuergerät kann derart konfiguriert und ausgestaltet sein, dass die Haupt-Sperrvorrichtung basierend auf vordefinierten Schwellenwerten automatisch in den Sperrzustand zum Sperren der Haupt-Brennstoffpassage zumindest abschnittsweise stromaufwärts und/oder stromabwärts der Haupt-Entschwefelungseinheit geschaltet wird. Die Entschwefelungsanordnung kann hierzu eine Messvorrichtung zum Messen eines Betriebszustandes der Haupt-Entschwefelungseinheit, beispielsweise anhand einer Schwefelbeladung der Haupt-Entschwefelungseinheit und/oder anhand einer vordefinierten Betriebsdauer und/oder Betriebsweise, aufweisen, wobei das Steuergerät konfiguriert und ausgestaltet ist, die Haupt-Sperrvorrichtung abhängig vom gemessenen bzw. erkannten Betriebszustand der Haupt-Entschwefelungseinheit zumindest abschnittsweise, also stromaufwärts und/oder stromabwärts der Haupt-Entschwefelungseinheit, in den Sperrzustand zu schalten. Dadurch kann automatisch verhindert werden, dass aufgrund einer veralteten Haupt-Entschwefelungseinheit nicht-entschwefelter Brennstoff zum Anodenabschnitt des Brennstoffzellenstapels gelangen kann.For blocking and releasing the main locking device, a suitable control device may be provided. The controller may be configured and configured to automatically switch the main inhibit to at least partially upstream and / or downstream of the main desulfurization unit, based on predefined thresholds, to disable the main fuel passage. For this purpose, the desulfurization arrangement may comprise a measuring device for measuring an operating state of the main desulphurisation unit, for example based on a sulfur loading of the main desulfurization unit and / or on the basis of a predefined operating time and / or operating mode, wherein the control unit is configured and configured, depending on the main blocking device From the measured or recognized operating state of the main desulfurization at least in sections, ie upstream and / or downstream of the main desulfurization to switch into the blocking state. As a result, it can be automatically prevented that non-desulphurised fuel can reach the anode section of the fuel cell stack due to an outdated main desulfurization unit.

Die Entschwefelungsanordnung kann weiterhin eine Signaleinheit zum Ausgeben eines Warnsignals abhängig vom erkannten Betriebszustand der Haupt-Entschwefelungseinheit aufweisen. So kann automatisch ein Warnsignal ausgegeben werden, sobald durch die Messvorrichtung ein vordefinierter Betriebszustand der Haupt-Entschwefelungseinheit erkannt wird, welcher einen Austausch der Haupt-Entschwefelungseinheit erfordert. Ein versehentliches Betreiben der Entschwefelungsanordnung in einem nicht mehr voll funktionsfähigen Zustand der Haupt-Entschwefelungseinheit bzw. in einem Zustand, in welchem eine maximal zulässige Schwefelbeladung der Haupt-Entschwefelungseinheit erreicht ist, kann dadurch auf einfache Weise verhindert werden.The desulfurization device may further include a signal unit for outputting a warning signal depending on the detected operating state of the main desulfurization unit. Thus, a warning signal can be issued automatically as soon as a predefined operating state of the main desulfurization unit is detected by the measuring device, which requires an exchange of the main desulfurization unit. An accidental operation of the desulfurization in a no longer fully functional state of the main desulfurization unit or in a state in which a maximum allowable sulfur loading of the main desulfurization unit is achieved, can be prevented in a simple manner.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltungsvariante der vorliegenden Erfindung ist es möglich, dass die Haupt-Entschwefelungseinheit und die Puffer-Entschwefelungseinheit jeweils das gleiche oder zumindest teilweise das gleiche Entschwefelungsmaterial zum Entschwefeln des Brennstoffs aufweisen. Weisen diese das gleiche Entschwefelungsmaterial auf, kann der Brennstoff stets gleichmäßig entschwefelt werden, unabhängig davon, ob sich das Brennstoffzellensystem momentan in der Normalbetriebsphase oder in der Austauschbetriebsphase befindet. Darüber hinaus bringt die Bereitstellung des gleichen Entschwefelungsmaterials in der Haupt-Entschwefelungseinheit und in der Puffer-Entschwefelungseinheit logistische Vorteile mit sich. So muss bei der Herstellung der beiden Entschwefelungseinheiten nur ein Entschwefelungsmaterial bereitgestellt werden. Eine Verwechslung ist ausgeschlossen. Die erfindungsgemäße Verwendung der gleichen Entschwefelungsmaterialien ist insbesondere deshalb möglich, da die Entschwefelungsanordnung für ein Brennstoffzellensystem geschaffen ist, in welchem die Haupt-Entschwefelungseinheit und die Puffer-Entschwefelungseinheit bei gleicher oder im Wesentlichen gleicher Betriebstemperatur betrieben werden. Bei einer Entschwefelungsanordnung für ein Brennstoffzellensystem, in welchem unterschiedliche Entschwefelungseinheiten bei unterschiedlichen Betriebstemperaturen und/oder mit unterschiedlichen Beladungskapazitäten arbeiten, ist dies in der Regel nicht möglich. Günstig ist es, wenn das Entschwefelungsmaterial eine Materialzusammensetzung aus zwei oder mehr Materialien ist.According to a further embodiment variant of the present invention, it is possible that the main desulfurization unit and the buffer desulfurization unit each have the same or at least partially the same desulfurization material for desulfurizing the fuel. If they have the same desulphurisation material, the fuel can always be desulphurized uniformly, regardless of whether the fuel cell system is currently in the normal operating phase or in the exchange operating phase. Moreover, the provision of the same desulfurization material in the main desulfurization unit and in the buffer desulfurization unit brings logistic advantages. Thus, in the production of the two desulfurization units only one desulphurisation material has to be provided. A confusion is excluded. The use according to the invention of the same desulfurization materials is possible in particular because the desulfurization arrangement is provided for a fuel cell system in which the main desulfurization unit and the buffer desulfurization unit are operated at the same or essentially the same operating temperature. In a desulphurisation arrangement for a fuel cell system in which different desulphurisation units operate at different operating temperatures and / or with different loading capacities, this is generally not possible. It is favorable if the desulphurisation material is a material composition of two or more materials.

Erfindungsgemäß kann es auch vorteilhaft sein, wenn sich die Entschwefelungsmaterialien der beiden Entschwefelungseinheiten zumindest teilweise unterscheiden, sprich nur teilweise das gleiche Entschwefelungsmaterial aufweisen. So kann beispielsweise das Entschwefelungsmaterial der Haupt-Entschwefelungseinheit eine Materialzusammensetzung im Bereich von etwa 70 % bis 90 % Material A, insbesondere etwa 80 % Material A und etwa 10 % bis 30 % Material B, insbesondere etwa 20 % Material B umfasst. Die Puffer-Entschwefelungseinheit umfasst hierbei insbesondere etwa 100 % Material B. Dadurch ist eine Befüllung der Entschwefelungseinheiten in einer einfachen Weise möglich.According to the invention it may also be advantageous if the desulfurization of the two desulfurization at least partially different, that is, only partially have the same desulfurization. Thus, for example, the desulfurizing material of the main desulfurization unit may comprise a material composition in the range of about 70% to 90% material A, especially about 80% material A and about 10% to 30% material B, more preferably about 20% material B. In this case, the buffer desulfurization unit in particular comprises approximately 100% of material B. This makes it possible to fill the desulfurization units in a simple manner.

Vorteilhaft ist es in jedem Fall, wenn die Entschwefelungseinheiten derart ausgebildet sind, dass diese bei Umgebungstemperatur einwandfrei arbeiten und funktionieren. Hierfür wird insbesondere das Entschwefelungsmaterial oder die Entschwefelungsmaterialen bzw. Entschwefelungsmaterialzusammensetzung entsprechen ausgewählt.It is advantageous in any case, if the desulfurization units are designed such that they work properly at ambient temperature and work. For this purpose, in particular the desulphurisation material or the desulphurising or desulphurising material composition is selected.

Ferner ist es möglich, dass bei einer Entschwefelungsanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung das Entschwefelungsmaterial ein Adsorbens mit Mangandioxid und Kupferoxid aufweist, mit welchem eine effektive Entschwefelung möglich ist.Further, in a desulfurization device according to the present invention, it is possible that the desulfurization material has an adsorbent with manganese dioxide and copper oxide, with which effective desulfurization is possible.

Eine erfindungsgemäße Entschwefelungsanordnung kann ferner wenigstens ein Entlüftungsventil zur Anordnung stromabwärts der Haupt-Entschwefelungseinheit in einer zumindest abschnittsweise parallel zur Haupt-Brennstoffpassage ausgestalteten Entlüftungspassage des Brennstoffzellensystems und dort zum Entlüften der Haupt-Entschwefelungseinheit während der Austauschbetriebsphase, in welcher sich die Haupt-Sperrvorrichtung in der Haupt-Brennstoffpassage stromaufwärts der Haupt-Entschwefelungseinheit in einem Durchlasszustand und stromabwärts der Haupt-Entschwefelungseinheit in einem Sperrzustand befindet, aufweisen. Durch das Entlüftungsventil kann erreicht werden, dass sich nach dem Austausch der Haupt-Entschwefelungseinheit und vor dem Umschalten in den Normalbetriebszustand keine Luft bzw. kein Sauerstoff mehr in der Haupt-Brennstoffpassage und/oder in der Haupt-Entschwefelungseinheit befinden. Wie vorstehend beschrieben, ist Sauerstoff während des Betriebs des Brennstoffzellensystems schädlich für den Anodenabschnitt. Durch das erfindungsgemäße Entlüftungsventil kann auf einfache Weise sichergestellt werden, dass der Austausch der Haupt-Entschwefelungseinheit ohne anschließende Beschädigung des Brennstoffzellensystems durchgeführt werden kann. Das erste Hauptsperrventil kann während des Entlüftens in einen Durchlasszustand geschaltet werden, während das zweite Hauptsperrventil in einen Sperrzustand schaltbar ist. In diesem Fall kann das erste Hauptsperrventil als weiteres Entlüftungsventil verstanden werden. Während des Normalbetriebszustandes kann das Entlüftungsventil als Sperrventil funktionieren, also in einen Sperrzustand geschaltet werden, um einen Brennstofffluss durch die Entlüftungspassage zu verhindern.A desulfurization arrangement according to the invention may further comprise at least one vent valve arranged downstream of the main desulfurization unit in a vent passage of the fuel cell system at least partially parallel to the main fuel passage and there for venting the main desulfurization unit during the replacement operation phase in which the main lock device in the main Fuel passage upstream of the main desulfurization unit in an on-state and downstream of the main desulfurization unit is in a blocking state. By the vent valve can be achieved that after replacing the main desulfurization and before switching to the normal operating state, no air or oxygen are more in the main fuel passage and / or in the main desulfurization unit. As described above, oxygen is detrimental to the anode section during operation of the fuel cell system. The vent valve according to the invention makes it possible to ensure in a simple manner that the replacement of the main desulfurization unit can be carried out without subsequent damage to the fuel cell system. The first master cut valve may be switched to an on-state during venting while the second master cut valve is switchable to a cut-off state. In this case, the first main shut-off valve can be understood as a further vent valve. During the normal operating state, the venting valve can function as a check valve, that is to say be switched to a blocking state in order to prevent fuel flow through the venting passage.

Darüber hinaus ist es möglich, dass eine erfindungsgemäße Entschwefelungsanordnung eine Neben-Sperrvorrichtung zum Sperren der Neben-Brennstoffpassage zumindest abschnittsweise stromaufwärts und stromabwärts der Puffer-Entschwefelungseinheit, insbesondere im Bereich des Bypasses, während der Normalbetriebsphase des Brennstoffzellensystems, aufweist. Dadurch kann auf einfache Weise verhindert werden, dass die Bypass-Entschwefelungseinheit während der Normalbetriebsphase mit Brennstoff und somit mit Schwefel beaufschlagt wird. Die Neben-Sperrvorrichtung kann ein erstes Nebensperrventil zum Sperren der Neben-Brennstoffpassage stromaufwärts der Puffer-Entschwefelungseinheit und ein zweites Nebensperrventil zum Sperren der Neben-Brennstoffpassage stromabwärts der Puffer-Entschwefelungseinheit aufweisen.Moreover, it is possible for a desulfurization arrangement according to the invention to have a secondary blocking device for blocking the secondary fuel passage at least in sections upstream and downstream of the buffer desulfurization unit, in particular in the area of the bypass, during the normal operating phase of the fuel cell system. This can be prevented in a simple manner that the bypass desulfurization unit is acted upon during the normal operating phase with fuel and thus with sulfur. The sub-lockout device may include a first sub-lock valve for disabling the sub-fuel passage upstream of the buffer desulfurization unit and a second sub-lock valve for disabling the sub-fuel passage downstream of the buffer desulfurization unit.

Von weiterem Vorteil kann es sein, wenn bei einer Entschwefelungsanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung die Haupt-Entschweflungseinheit mehr Entschwefelungsmaterial als die Puffer-Entschwefelungseinheit aufweist. Die Haupt-Entschwefelungseinheit ist deshalb vorzugsweise größer dimensioniert als die Puffer-Entschwefelungseinheit. Insbesondere ist die Haupt-Entschwefelungseinheit in einer Größe ausgelegt, bei welcher ein vordefiniertes Wartungsintervall von beispielsweise einem Jahr für den Austausch eingehalten werden kann. Dadurch müssen nicht zwei große Entschwefelungseinheiten gleichzeitig betrieben werden, sondern überwiegend die Haupt-Entschwefelungseinheit und nur im Austauschbetriebszustand die deutlich kleinere Puffer-Entschwefelungseinheit. Die Haupt-Entschwefelungseinheit weist im Vergleich zur Puffer-Entschwefelungseinheit entsprechend ein Vielfaches an Entschwefelungsmaterial auf. Die Puffer-Entschwefelungseinheit weist vorzugsweise weniger als 10%, insbesondere weniger als 1 % der Menge an Entschwefelungsmaterial der Haupt-Entschwefelungseinheit auf. Die Puffer-Entschwefelungseinheit ist in der Größe derart ausgelegt, dass sie bei einem vorgegebenen Wartungsintervall für die gesamte Lebensdauer des Systems betrieben werden kann und damit nicht ausgewechselt werden muss.It may be of further advantage if, in a desulphurisation arrangement according to the present invention, the main desulphurisation unit has more desulphurising material than the desulphurisation unit Buffer desulfurization unit has. The main desulfurization unit is therefore preferably larger in size than the buffer desulfurization unit. In particular, the main desulfurization unit is designed in a size in which a predefined maintenance interval of, for example, one year can be met for replacement. As a result, it is not necessary to operate two large desulfurization units at the same time, but predominantly the main desulfurization unit and only in the exchange operating state the much smaller buffer desulfurization unit. The main desulfurization unit has a multiple of desulfurization material compared to the buffer desulfurization unit. The buffer desulfurization unit preferably has less than 10%, in particular less than 1%, of the amount of desulphurisation material of the main desulphurisation unit. The buffer desulfurization unit is sized so that it can be operated for a given maintenance interval for the entire life of the system and thus does not need to be replaced.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Brennstoffzellensystem zur Verfügung gestellt, aufweisend einen Brennstoffzellenstapel mit einem Anodenabschnitt und einem Kathodenabschnitt, einen Reformer stromaufwärts des Anodenabschnitts zum Reformieren von Brennstoff für den Anodenabschnitt, einen Brenner stromabwärts des Brennstoffzellenstapels zum Verbrennen von Anodenabgas aus dem Anodenabschnitt und/oder Kathodenabgas aus dem Kathodenabschnitt, eine Brennstoffquelle zum Bereitstellen des Brennstoffs für das Brennstoffzellensystem, und eine wie vorstehend im Detail beschriebene Entschwefelungsanordnung. Bei dem Brennstoffzellensystem sind die Haupt-Entschwefelungseinheit in der Haupt-Brennstoffpassage angeordnet, die Puffer-Entschwefelungseinheit in der parallel zur Haupt-Brennstoffpassage ausgestalteten Neben-Brennstoffpassage, welche einen Bypass zur Haupt-Entschwefelungseinheit bildet, angeordnet, und die Haupt-Sperrvorrichtung, zum Sperren der Haupt-Brennstoffpassage zumindest abschnittsweise stromaufwärts und stromabwärts der Haupt-Entschwefelungseinheit während der Austauschbetriebsphase des Brennstoffzellensystems, ausgestaltet.According to another aspect of the present invention, there is provided a fuel cell system comprising a fuel cell stack having an anode portion and a cathode portion, a reformer upstream of the anode portion for reforming fuel for the anode portion, a burner downstream of the fuel cell stack for burning anode exhaust gas from the anode portion and or cathode exhaust gas from the cathode section, a fuel source for providing the fuel to the fuel cell system, and a desulfurization system as described in detail above. In the fuel cell system, the main desulfurization unit is disposed in the main fuel passage, the buffer desulfurization unit is disposed in the sub fuel passage configured in parallel with the main fuel passage, which bypasses the main desulfurization unit, and the main lock device is locked the main fuel passage at least in sections upstream and downstream of the main desulfurization during the exchange operating phase of the fuel cell system, configured.

Damit bringt ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf die erfindungsgemäße Entschwefelungsanordnung beschrieben worden sind. Das Brennstoffzellensystem ist vorzugsweise als stationäres Brennstoffzellensystem, insbesondere als stationäres SOFC-System, ausgestaltet.Thus, a fuel cell system according to the invention brings about the same advantages as have been described in detail with reference to the desulfurization arrangement according to the invention. The fuel cell system is preferably designed as a stationary fuel cell system, in particular as a stationary SOFC system.

Zum Sperren der Haupt-Brennstoffpassage stromaufwärts und stromabwärts der Haupt-Entschwefelungseinheit ist die Haupt-Sperrvorrichtung in einen Sperrzustand schaltbar. Um die Haupt-Brennstoffpassage stromaufwärts und stromabwärts der Haupt-Entschwefelungseinheit zumindest abschnittsweise für einen Brennstoffdurchfluss freizugeben, ist die Haupt-Sperrvorrichtung in einen Durchlasszustand schaltbar. Bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem könnte während der Austauschbetriebsphase an Stelle des Austausches der Haupt-Entschwefelungseinheit auch eine Aufbereitung der Haupt-Entschwefelungseinheit durchgeführt werden. In diesem Fall würde ein Grundkörper der Haupt-Entschwefelungseinheit im Brennstoffzellensystem angeordnet bleiben, während beispielsweise nur das Entschwefelungsmaterial ausgetauscht oder geeignet aufbereitet wird. D.h., während der Austauschbetriebsphase ist es nicht zwingend notwendig, dass die gesamte Haupt-Entschwefelungseinheit ausgetauscht wird.For blocking the main fuel passage upstream and downstream of the main desulfurization unit, the main lock device is switchable to a lock state. In order to release the main fuel passage upstream and downstream of the main desulphurisation unit at least in sections for a fuel flow, the main blocking device is switchable to a passage state. In a fuel cell system according to the invention could be carried out during the exchange operating phase instead of the exchange of the main desulfurization also a treatment of the main desulfurization. In this case, a main body of the main desulfurization unit would remain in the fuel cell system, while, for example, only the desulfurization material is exchanged or properly treated. That is, during the replacement operation phase, it is not mandatory that the entire main desulfurization unit be replaced.

Die Haupt-Sperrvorrichtung weist, wie vorstehend erwähnt, vorzugsweise ein erstes Hauptsperrventil stromaufwärts, insbesondere direkt stromaufwärts, der Haupt-Entschwefelungseinheit und ein zweites Hauptsperrventil stromabwärts, insbesondere direkt stromabwärts, der Haupt-Entschwefelungseinheit auf. Die beiden Hauptsperrventile sind unabhängig voneinander schaltbar. Dadurch lässt sich auf einfache Weise der gewünschte Sperr- oder Durchlasszustand in der Haupt-Brennstoffpassage im Bereich der Haupt-Entschwefelungseinheit schalten.As mentioned above, the main blocking device preferably has a first main shut-off valve upstream, in particular directly upstream, the main desulfurization unit and a second main shut-off valve downstream, in particular directly downstream, of the main desulfurization unit. The two main shut-off valves can be switched independently of each other. As a result, the desired blocking or passage state in the main fuel passage in the region of the main desulphurisation unit can be switched in a simple manner.

Die Neben-Sperrvorrichtung weist, wie vorstehend erwähnt, vorzugsweise ein erstes Nebensperrventil stromaufwärts, insbesondere direkt stromaufwärts, der Puffer-Entschwefelungseinheit und ein zweites Nebensperrventil stromabwärts, insbesondere direkt stromabwärts, der Puffer-Entschwefelungseinheit auf. Die beiden Nebensperrventile sind unabhängig voneinander schaltbar. Dadurch lässt sich auf einfache Weise der gewünschte Sperr- oder Durchlasszustand in der Neben-Brennstoffpassage im Bereich der Puffer-Entschwefelungseinheit schalten.As mentioned above, the sub-locking device preferably has a first secondary shut-off valve upstream, in particular directly upstream, the buffer desulfurization unit and a second secondary shut-off valve downstream, in particular directly downstream, of the buffer desulfurization unit. The two secondary shut-off valves can be switched independently of each other. As a result, the desired blocking or passage state in the sub-fuel passage in the area of the buffer desulfurization unit can be switched in a simple manner.

Zum Ansteuern der verschiedenen Sperrventile weist das Brennstoffzellensystem geeignete Aktoren auf, welche durch ein wie vorstehend beschriebenes Steuergerät angesteuert werden können. Das Steuergerät kann eine elektronische Kontrolleinheit zum automatischen Durchführen der gewünschten Schaltvorgänge, insbesondere basierend auf den vorstehend erläuterten Messwerten, aufweisen.To control the various check valves, the fuel cell system has suitable actuators, which can be controlled by a control unit as described above. The control unit may have an electronic control unit for automatically performing the desired switching operations, in particular based on the above-explained measured values.

Der Bypass der Neben-Brennstoffpassage zur Haupt-Entschwefelungseinheit beginnt vorzugsweise stromaufwärts des ersten Hauptsperrventils und endet in der Haupt-Brennstoffpassage stromabwärts des zweiten Hauptsperrventils, wobei sich sowohl das erste Nebensperrventil, die Puffer-Entschwefelungseinheit als auch das zweite Nebensperrventil im Bypass befinden. Dadurch kann die gewünschte Zu- und Abschaltung der Haupt-Entschwefelungseinheit und der Puffer-Entschwefelungseinheit für die jeweils gewünschte Entschwefelung des Brennstoffs besonders effektiv und zuverlässig realisiert werden. Die Haupt-Brennstoffpassage und die Neben-Brennstoffpassage zweigen vorzugsweise von einer Initial-Brennstoffpassage in zumindest abschnittsweise parallel zueinander laufende Brennstoffpassagen ab, wobei die Initial-Brennstoffpassage aus einer Brennstoffquelle des Brennstoffzellensystems hervortritt. Dadurch kann ein besonders einfacher und platzsparender Leitungsaufbau im Brennstoffzellensystem realisiert werden. The bypass of the sub-fuel passage to the main desulfurization unit preferably starts upstream of the first main shut-off valve and terminates in the main fuel passage downstream of the second main shut-off valve, wherein both the first sub-cut valve, the buffer desulfurization unit and the second By-pass valve located in bypass. As a result, the desired connection and disconnection of the main desulfurization unit and of the buffer desulfurization unit for the respectively desired desulfurization of the fuel can be realized particularly effectively and reliably. The main fuel passage and the sub-fuel passage preferably branch off from an initial fuel passage into fuel passages that are at least partially parallel to each other, the initial fuel passage protruding from a fuel source of the fuel cell system. As a result, a particularly simple and space-saving line construction in the fuel cell system can be realized.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltungsvariante der vorliegenden Erfindung ist es möglich, dass das wenigstens eine Entlüftungsventil stromabwärts der Haupt-Entschwefelungseinheit in der zumindest abschnittsweise parallel zur Haupt-Brennstoffpassage ausgestalteten Entlüftungspassage des Brennstoffzellensystems angeordnet ist, wobei das Entlüftungsventil zum Entlüften der Haupt-Entschwefelungseinheit während der Austauschbetriebsphase in Richtung des Brenners des Brennstoffzellensystems, der stromabwärts des Entlüftungsventils angeordnet ist, konfiguriert ist. Dadurch kann der bereits vorstehend erwähnte vorteilhafte Effekt erzielt werden, dass Sauerstoff vor einem Umschalten in den Normalbetriebszustand des Brennstoffzellensystems aus der Haupt-Brennstoffpassage im Bereich der Haupt-Entschwefelungseinheit entfernt werden kann, wodurch insbesondere der Anodenabschnitt des Brennstoffzellenstapels vor Betriebsschäden geschützt werden kann. Die Entlüftungspassage zweigt vorzugsweise aus der Haupt-Brennstoffpassage stromabwärts der Haupt-Entschwefelungseinheit und stromaufwärts des zweiten Hauptsperrventils in Richtung des Brenners ab.According to a further embodiment variant of the present invention, it is possible for the at least one venting valve to be arranged downstream of the main desulfurization unit in the venting passage of the fuel cell system designed at least in sections parallel to the main fuel passage, the venting valve for venting the main desulfurization unit during the replacement operation phase Direction of the burner of the fuel cell system, which is arranged downstream of the vent valve is configured. Thereby, the above-mentioned advantageous effect can be achieved that oxygen can be removed from the main fuel passage in the region of the main desulfurization before switching to the normal operating state of the fuel cell system, whereby in particular the anode portion of the fuel cell stack can be protected against operational damage. The vent passage preferably branches off from the main fuel passage downstream of the main desulfurization unit and upstream of the second main shut-off valve toward the burner.

Weiterhin ist es möglich, dass bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem dem Brenner stromabwärts des Brennstoffzellenstapels ein katalytischer Nachbrenner vorgelagert ist und die Entlüftungspassage vorbei am katalytischen Nachbrenner in den Brenner führt. Dadurch kann der Brennstoff für die Entlüftung direkt in den Nachbrenner geleitet werden, ohne den katalytischen Nachbrenner zu beaufschlagen. Dies ist förderlich für die Langlebigkeit des katalytischen Nachbrenners und mithin auch für die entsprechend langlebige Funktionsweise des Brennstoffzellensystems. Der katalytische Nachbrenner ist vorzugsweise als Oxidationskatalysator für eine katalytische Verbrennung des Anodenabgases sowie des Kathodenabgases ausgestaltet. Günstig kann es auch sein, wenn der Brenner und der katalytische Nachrenner als ein gemeinsames und/oder integrales Bauteil ausgebildet sind.Furthermore, it is possible that, in a fuel cell system according to the invention, a catalytic afterburner is arranged upstream of the burner downstream of the fuel cell stack and the venting passage leads past the catalytic afterburner into the burner. As a result, the fuel for the vent can be passed directly into the afterburner, without applying the catalytic afterburner. This is conducive to the longevity of the catalytic afterburner and thus also for the correspondingly long-lasting functioning of the fuel cell system. The catalytic afterburner is preferably designed as an oxidation catalyst for a catalytic combustion of the anode exhaust gas and the cathode exhaust gas. It may also be favorable if the burner and the catalytic secondary burner are designed as a common and / or integral component.

Außerdem kann es von Vorteil sein, wenn bei einem Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung stromabwärts des Entlüftungsventils ein Drosselventil zum vordefinierten Drosseln eines Entlüftungsstroms in Richtung des Brenners angeordnet ist. Durch entsprechende Steuerung und/oder Regelung der Drossel kann verhindert werden, dass der Brenner während des Entlüftens mit einer zu hohen Menge an Brennstoff beaufschlagt wird, wodurch das thermische Verhalten des Brennstoffzellensystems nachteilhaft beeinflusst werden könnte. Durch eine Drosselung des Entlüftungsstroms und somit eine entsprechende Drosselung der Brennstoffmenge, mit welcher der Brenner während der Austauschbetriebsphase beaufschlagt wird, kann somit eine gleichmäßige Betriebsweise während allen Betriebsphasen des Brennstoffzellensystems gewährleistet werden.In addition, it may be advantageous if, in a fuel cell system according to the present invention downstream of the vent valve, a throttle valve for predefined throttling a vent flow is arranged in the direction of the burner. By appropriate control and / or regulation of the throttle can be prevented that the burner is subjected during the venting with an excessive amount of fuel, whereby the thermal behavior of the fuel cell system could be adversely affected. By throttling the vent flow and thus a corresponding throttling of the amount of fuel with which the burner is acted upon during the Austauschbetriebsphase, thus a uniform operation during all operating phases of the fuel cell system can be ensured.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Austauschen einer Entschwefelungseinheit in einem wie vorstehend beschriebenen Brennstoffzellensystem bereitgestellt. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf:

  • - Schalten der Haupt-Sperrvorrichtung in einen Sperrzustand zum Sperren der Haupt-Brennstoffpassage zumindest abschnittsweise stromaufwärts und stromabwärts der Haupt-Entschwefelungseinheit,
  • - Umleiten einer Brennstoffzufuhr in Richtung des Anodenabschnitts durch die Puffer-Entschwefelungseinheit,
  • - Austauschen der Haupt-Entschwefelungseinheit durch eine neue Haupt-Entschwefelungseinheit, während der Brennstoff durch die Puffer-Entschwefelungseinheit in Richtung des Anodenabschnitts geleitet wird, und
  • - Schalten der Haupt-Sperrvorrichtung in einen Durchlasszustand zum Freigeben der Haupt-Brennstoffpassage für einen Brennstofffluss von der Brennstoffquelle durch die Haupt-Entschwefelungseinheit zum Anodenabschnitt des Brennstoffzellenstapels nach dem Austauschen der Haupt-Entschwefelungseinheit.
According to another aspect of the present invention, there is provided a method of replacing a desulfurization unit in a fuel cell system as described above. The method comprises the following steps:
  • Switching the main blocking device into a blocking state for blocking the main fuel passage at least in sections upstream and downstream of the main desulphurisation unit,
  • Diverting a fuel supply in the direction of the anode section through the buffer desulfurization unit,
  • Replacing the main desulphurisation unit by a new main desulphurisation unit while the fuel is being conducted through the buffer desulphurisation unit in the direction of the anode section, and
  • Switching the main stopper to an on-state for releasing the main fuel passage for a fuel flow from the fuel source through the main desulfurization unit to the anode portion of the fuel cell stack after replacing the main desulfurization unit.

Damit bringt auch ein erfindungsgemäßes Verfahren die vorstehend ausführlich beschriebenen Vorteile mit sich. Bei dem Verfahren wird das Umleiten der Brennstoffzufuhr in Richtung des Anodenabschnitts insbesondere durch das Schalten der Haupt-Sperrvorrichtung in den Sperrzustand bewirkt. Sobald die Haupt-Sperrvorrichtung in den Sperrzustand geschaltet wurde, also vorzugsweise das erste Hauptsperrventil und das zweite Hauptsperrventil in den Sperrzustand geschaltet wurden, kann die Neben-Sperrvorrichtung, also vorzugsweise das erste Nebensperrventil und das zweite Nebensperrventil, in einen Durchlasszustand geschaltet werden. Nun kann der Brennstoff von der Brennstoffquelle nicht mehr über die Haupt-Entschwefelungseinheit strömen, sondern nur noch über die Puffer-Entschwefelungseinheit. Genauer gesagt kann der Brennstoff nun über den Bypass der Neben-Brennstoffpassage durch die Puffer-Entschwefelungseinheit, die geöffnete Neben-Sperrvorrichtung weiter in einen Abschnitt der Haupt-Brennstoffpassage stromabwärts der Haupt-Sperrvorrichtung, insbesondere stromabwärts des zweiten Hauptsperrventils, geleitet werden.Thus, a method according to the invention also brings the advantages described in detail above. In the method, the bypassing of the fuel supply in the direction of the anode portion is effected in particular by the switching of the main blocking device in the blocking state. Once the main blocking device has been switched to the blocking state, that is to say preferably the first main blocking valve and the second main blocking valve have been switched to the blocking state, the secondary blocking device, that is to say the first secondary blocking valve and the second secondary blocking valve, be switched to an on state. Now, the fuel from the fuel source can no longer flow through the main desulfurization unit, but only through the buffer desulfurization unit. More specifically, the fuel can now be passed, via the bypass of the sub-fuel passage through the buffer desulfurization unit, the opened sub-lock further into a portion of the main fuel passage downstream of the main lock, in particular downstream of the second main shut-off valve.

Günstig ist es insbesondere, wenn die neue Haupt-Entschwefelungseinheit durch ein Öffnen der Haupt-Sperrvorrichtung und des Entlüftungsventils insbesondere unmittelbar nach einem Einsetzen derselben entlüftet wird. Ferner ist es günstig wenn gleichzeitig zum Schalten der Haupt-Sperrvorrichtung in einen Durchlasszustand auch das Entlüftungsventil verschlossen wird.It is advantageous, in particular, if the new main desulfurization unit is vented by opening the main blocking device and the venting valve, in particular immediately after insertion thereof. Furthermore, it is favorable if, at the same time, the venting valve is closed in order to switch the main blocking device into an on-state.

Wie vorstehend beschrieben, kann an Stelle des Austauschens auch eine Reinigung oder eine entsprechende Aufbereitung der Haupt-Entschwefelungseinheit durchgeführt werden, bei welcher sozusagen nur ein Teil der Haupt-Entschwefelungseinheit ausgetauscht und/oder aufbereitet wird. Bei der Durchführung des Verfahrens werden die Haupt-Entschwefelungseinheit und die Puffer-Entschwefelungseinheit bei gleicher oder im Wesentlichen gleicher Betriebstemperatur betrieben.As described above, instead of exchanging, cleaning or a corresponding treatment of the main desulphurisation unit can be carried out, in which, as it were, only a part of the main desulphurisation unit is exchanged and / or prepared. In carrying out the process, the main desulfurization unit and the buffer desulfurization unit are operated at the same or essentially the same operating temperature.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltungsvariante der vorliegenden Erfindung ist es möglich, dass bei einem Verfahren das Entlüftungsventil nach dem Austauschen der Haupt-Entschwefelungseinheit und vor dem Schalten der Haupt-Sperrvorrichtung in den Durchlasszustand in einen Entlüftungszustand geschaltet wird, und die Haupt-Sperrvorrichtung in der Haupt-Brennstoffpassage stromaufwärts der Haupt-Entschwefelungseinheit in einen Durchlasszustand und stromabwärts der Haupt-Entschwefelungseinheit in einem Sperrzustand geschaltet wird, wobei die Haupt-Entschwefelungseinheit sowie die Haupt-Brennstoffpassage mittels Brennstoff aus der Brennstoffquelle, der von der Brennstoffquelle über die Haupt-Entschwefelungseinheit durch das Entlüftungsventil geleitet wird, entlüftet werden. Durch diese Schaltungsmaßnahmen können die Haupt-Brennstoffpassage einfach und zuverlässig entlüftet und dadurch der Anodenabschnitt des Brennstoffzellenstapels vor Schäden geschützt werden. Sobald das Brennstoffzellensystem in den vorstehend genannten Betriebszustand geschaltet wurde, kann Brennstoff von der Brennstoffquelle über die Haupt-Brennstoffpassage durch das erste Hauptsperrventil der Haupt-Sperrvorrichtung, die ausgetauschte Haupt-Entschwefelungseinheit und aus der Haupt-Brennstoffpassage heraus über die Entlüftungspassage durch das Entlüftungsventil in Richtung des Brenners geleitet werden. Dieser Fluidweg einschließlich der darin angeordneten Funktionsbauteile kann durch den Brennstoff, insbesondere in Form von Erdgas, entlüftet werden. Der für die Entlüftung verwendete Brennstoff kann anschließend im Nachbrenner verbrannt werden. Stromabwärts des Brenners ist ein Wärmetauscher angeordnet, welcher durch den verbrannten Brennstoff im Brenner erhitzt werden kann. Dadurch kann der zur Entlüftung verwendete Brennstoff verwendet werden, um den Brenner zu erhitzen, welcher wiederum ein Arbeitsfluid des Brennstoffzellensystems, beispielsweise Luft, die zum Kathodenabschnitt des Brennstoffzellenstapels geleitet wird, erhitzen kann. Dadurch kann ein besonders effizient arbeitendes Brennstoffzellensystem zur Verfügung gestellt werden.According to a further embodiment variant of the present invention, it is possible for one method to switch the venting valve to a venting state after replacing the main desulfurizing unit and before the main blocking device is switched to the on-state, and the main blocking device in the main Fuel passage upstream of the main desulfurization unit is switched to an on-state and downstream of the main desulfurization in a blocking state, wherein the main desulfurization unit and the main fuel passage by means of fuel from the fuel source, which is passed from the fuel source through the main desulfurization through the bleed valve will be vented. By this circuitry, the main fuel passage can be easily and reliably vented, thereby protecting the anode portion of the fuel cell stack from damage. Once the fuel cell system has been switched to the above-mentioned operating condition, fuel may flow from the fuel source through the main fuel passage through the main main locking first main shut-off valve, the main desulfurization unit replaced, and out of the main fuel passage via the purge passage through the purge valve toward of the burner. This fluid path including the functional components arranged therein can be vented by the fuel, in particular in the form of natural gas. The fuel used for the vent can then be burned in the afterburner. Downstream of the burner, a heat exchanger is arranged, which can be heated by the burnt fuel in the burner. Thereby, the fuel used for venting can be used to heat the burner, which in turn can heat a working fluid of the fuel cell system, for example, air, which is passed to the cathode portion of the fuel cell stack. As a result, a particularly efficiently operating fuel cell system can be made available.

Zudem ist es möglich, dass bei einem erfindungsgemäßen Verfahren ein Volumenstrom des Brennstoffs von der Brennstoffquelle zum Brenner während des Entlüftens der Haupt-Entschwefelungseinheit und der Haupt-Brennstoffpassage durch das Drosselventil auf einen vordefinierten Wert geregelt wird. Dadurch kann sichergestellt werden, dass dem Brenner nicht zu viel Brennstoff zugeführt wird, wodurch das thermische Verhalten in diesem Bereich nachteilhaft beeinflusst werden könnte. Außerdem kann dadurch sichergestellt werden, dass nicht unnötig viel Brennstoff für das Entlüften der Haupt-Brennstoffpassage verwendet wird, also Brennstoff gespart wird.In addition, in a method according to the invention, it is possible for a volume flow of the fuel from the fuel source to the burner during the venting of the main desulfurization unit and the main fuel passage through the throttle valve to be regulated to a predefined value. This can ensure that the burner is not supplied with too much fuel, which could adversely affect the thermal behavior in this area. In addition, it can be ensured that not unnecessarily much fuel for venting the main fuel passage is used, so fuel is saved.

Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zu verschiedenen Ausführungsbeispielen der Erfindung, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder der Zeichnung hervorgehende Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten und räumlicher Anordnungen können sowohl für sich als auch in den verschiedenen Kombinationen erfindungswesentlich sein.Further, measures improving the invention will become apparent from the following description of various embodiments of the invention, which are shown schematically in the figures. All of the claims, description or drawings resulting features and / or advantages, including constructive details and spatial arrangements may be essential to the invention both in itself and in the various combinations.

Es zeigen jeweils schematisch:

  • 1 ein Blockschaltbild zum Darstellen eines Brennstoffzellensystems mit einer Entschwefelungsanordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und
  • 2 ein Flussdiagramm zum Erläutern eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Each show schematically:
  • 1 a block diagram for illustrating a fuel cell system with a desulfurization according to an embodiment of the present invention, and
  • 2 a flowchart for explaining a method according to an embodiment of the present invention.

In 1 ist schematisch ein stationäres Brennstoffzellensystem 2 in Form eines SOFC-Systems mit einer Entschwefelungsanordnung 1 dargestellt. Das Brennstoffzellensystem weist einen Brennstoffzellenstapel 14 mit einem Anodenabschnitt 15 und einem Kathodenabschnitt 16 auf. Ferner weist das Brennstoffzellensystem 2 einen Reformer 17 auf, der stromaufwärts des Anodenabschnitts 15 zum Reformieren von Brennstoff für den Anodenabschnitt 15 angeordnet ist. Das Brennstoffzellensystem 2 weist außerdem einen Brenner 18 stromabwärts des Brennstoffzellenstapels 14 zum Verbrennen von Anodenabgas aus dem Anodenabschnitt 15 und Kathodenabgas aus dem Kathodenabschnitt 16, sowie eine Brennstoffquelle 26 zum Bereitstellen des Brennstoffs für das Brennstoffzellensystem 2, auf.In 1 is schematically a stationary fuel cell system 2 in the form of a SOFC system with a desulfurization arrangement 1 shown. The fuel cell system has a fuel cell stack 14 with an anode section 15 and a cathode section 16 on. Furthermore, the fuel cell system 2 a reformer 17 on, the upstream of the anode section 15 for reforming fuel for the anode section 15 is arranged. The fuel cell system 2 also has a burner 18 downstream of the fuel cell stack 14 for burning anode exhaust gas from the anode section 15 and cathode exhaust gas from the cathode section 16 , as well as a fuel source 26 for providing the fuel for the fuel cell system 2 , on.

Die Entschwefelungsanordnung 1 des Brennstoffzellensystems 2 weist eine Haupt-Entschwefelungseinheit 3 zum Entschwefeln des Brennstoffs für das Brennstoffzellensystem 2 in einer Haupt-Brennstoffpassage 4 des Brennstoffzellensystems 2 während einer Normalbetriebsphase, in welcher das Brennstoffzellensystem 2 überwiegend betrieben wird, auf. Außerdem weist die Entschwefelungsanordnung 1 eine Puffer-Entschwefelungseinheit 5 zum Entschwefeln des Brennstoffs in einer abschnittsweise parallel zur Haupt-Brennstoffpassage 4 ausgestalteten Neben-Brennstoffpassage 6 des Brennstoffzellensystems 2, die einen Bypass zur Haupt-Entschwefelungseinheit 3 bildet, in einer Austauschbetriebsphase des Brennstoffzellensystems 2, in welcher ein Austausch der Haupt-Entschwefelungseinheit 3 durchgeführt wird, auf.The desulphurisation arrangement 1 of the fuel cell system 2 has a main desulfurization unit 3 for desulphurizing the fuel for the fuel cell system 2 in a main fuel passage 4 of the fuel cell system 2 during a normal operating phase in which the fuel cell system 2 is mainly operated on. In addition, the desulfurization has 1 a buffer desulfurization unit 5 for desulphurizing the fuel in sections parallel to the main fuel passage 4 designed secondary fuel passage 6 of the fuel cell system 2 that bypasses the main desulfurization unit 3 forms, in an exchange operating phase of the fuel cell system 2 in which an exchange of the main desulfurization unit 3 is performed on.

Die Entschwefelungsanordnung 1 weist ferner eine Haupt-Sperrvorrichtung mit einem ersten Hauptsperrventil 7 stromaufwärts der Haupt-Entschwefelungseinheit 3 und einem zweiten Hauptsperrventil 8 stromabwärts der Haupt-Entschwefelungseinheit 3, zum Sperren der Haupt-Brennstoffpassage 4 direkt stromaufwärts und direkt stromabwärts der Haupt-Entschwefelungseinheit 3 während der Austauschbetriebsphase des Brennstoffzellensystems 2, auf.The desulphurisation arrangement 1 further comprises a main locking device with a first main shut-off valve 7 upstream of the main desulphurisation unit 3 and a second main shut-off valve 8th downstream of the main desulphurisation unit 3 , to block the main fuel passage 4 directly upstream and immediately downstream of the main desulphurisation unit 3 during the replacement operation phase of the fuel cell system 2 , on.

Die Entschwefelungsanordnung 1 weist darüber hinaus eine Neben-Sperrvorrichtung mit einem ersten Nebensperrventil 12 direkt stromaufwärts der Puffer-Entschwefelungseinheit 5 und einem zweiten Nebensperrventil 13 direkt stromabwärts der Puffer-Entschwefelungseinheit 5, zum Sperren der Neben-Brennstoffpassage 6 abschnittsweise stromaufwärts und stromabwärts der Puffer-Entschwefelungseinheit 5 während der Normalbetriebsphase des Brennstoffzellensystems 2, auf.The desulphurisation arrangement 1 moreover has a sub-locking device with a first secondary check valve 12 directly upstream of the buffer desulfurization unit 5 and a second secondary shut-off valve 13 directly downstream of the buffer desulfurization unit 5 , to block the sub-fuel passage 6 in sections upstream and downstream of the buffer desulfurization unit 5 during the normal operating phase of the fuel cell system 2 , on.

In der Entschwefelungsanordnung 1 des Brennstoffzellensystems 2 ist weiterhin ein Entlüftungsventil 9 stromabwärts der Haupt-Entschwefelungseinheit 3 in einer abschnittsweise parallel zur Haupt-Brennstoffpassage 4 ausgestalteten Entlüftungspassage 11 des Brennstoffzellensystems 2 angeordnet, wobei das Entlüftungsventil 9 zum Entlüften der Haupt-Entschwefelungseinheit 3 während der Austauschbetriebsphase in Richtung des Brenners 18, der stromabwärts des Entlüftungsventils 9 angeordnet ist, konfiguriert ist.In the desulphurisation arrangement 1 of the fuel cell system 2 is still a vent valve 9 downstream of the main desulphurisation unit 3 in sections in parallel to the main fuel passage 4 designed vent passage 11 of the fuel cell system 2 arranged, with the vent valve 9 for venting the main desulphurisation unit 3 during the exchange phase of operation in the direction of the burner 18 , which is downstream of the vent valve 9 is arranged is configured.

Dem Brenner 18 ist stromabwärts des Brennstoffzellenstapels 14 ein Katalysator bzw. katalytischer Nachbrenner 19 vorgelagert, wobei die Entlüftungspassage 11 vorbei am katalytischen Nachbrenner 19 direkt in den Brenner 18 führt. Stromabwärts des Entlüftungsventils 9 ist ein Drosselventil 10 zum vordefinierten Drosseln eines Entlüftungsstroms bzw. einer Menge an Brennstoff in Richtung des Brenners 18 angeordnet.The burner 18 is downstream of the fuel cell stack 14 a catalyst or catalytic afterburner 19 upstream, with the vent passage 11 past the catalytic afterburner 19 directly into the burner 18 leads. Downstream of the vent valve 9 is a throttle valve 10 for predefined throttling of a vent flow or an amount of fuel in the direction of the burner 18 arranged.

Ferner ist eine schwefelfreie Gasversorgungsleitung 30. Dadurch kann auch der Brenner 18 mit schwefelfreiem Brennstoff versorgt werden.Further, a sulfur-free gas supply line 30 , This also allows the burner 18 be supplied with sulfur-free fuel.

Bei dem in 1 dargestellten Brennstoffzellensystem 2 weisen die Haupt-Entschwefelungseinheit 3 und die Puffer-Entschwefelungseinheit 5 zum Entschwefeln des Brennstoffs jeweils zumindest teilweise das gleiche Entschwefelungsmaterial auf. Das Entschwefelungsmaterial weist ein Adsorbens mit Mangandioxid und Kupferoxid auf. Außerdem weist die Puffer-Entschwefelungseinheit 5 weniger als 1 % des Entschwefelungsmaterials der Haupt-Entschweflungseinheit 3 auf.At the in 1 illustrated fuel cell system 2 have the main desulfurization unit 3 and the buffer desulfurization unit 5 for desulphurising the fuel in each case at least partially the same desulphurisation material. The desulfurization material comprises an adsorbent with manganese dioxide and copper oxide. In addition, the buffer desulfurization unit has 5 less than 1% of the desulphurisation material of the main desulphurisation unit 3 on.

Wie ferner in 1 dargestellt, weist das Brennstoffzellensystem 2 einen Kathodengaszuführabschnitt 27 zum Zuführen von Luft zum Kathodenabschnitt 16 des Brennstoffzellenstapels 14 auf. In dem Kathodengaszuführabschnitt 27 ist ein Sauggebläse 25 zum Einbringen der Luft in den Kathodengaszuführabschnitt 27 angeordnet. Stromaufwärts des Sauggebläses 25 ist ein Massenstromregler 24 zum Regeln der Luftmenge im Kathodengaszuführabschnitt 27 angeordnet. Stromabwärts des Sauggebläses ist ein Wärmetauscher 20 mit einer kalten Seite im Kathodengaszuführabschnitt 27 angeordnet. Stromabwärts des Sauggebläses 25 zweigt außerdem eine Fluidleitung 28 in Richtung des katalytischen Nachbrenners 19 ab, um dem katalytischen Nachbrenner 19 sowie dem Brenner 18 Luft für eine darin stattfindende Verbrennung zuführen zu können. In der Fluidleitung 28 ist ein weiterer Massenstromregler 23 zum Regeln der Luftzufuhr in Richtung des katalytischen Nachbrenners 19 angeordnet.As further in 1 shown, the fuel cell system 2 a cathode gas supply section 27 for supplying air to the cathode section 16 of the fuel cell stack 14 on. In the cathode gas supply section 27 is a suction fan 25 for introducing the air into the cathode gas supply section 27 arranged. Upstream of the suction fan 25 is a mass flow controller 24 for controlling the amount of air in the cathode gas supply section 27 arranged. Downstream of the suction fan is a heat exchanger 20 with a cold side in the cathode gas supply section 27 arranged. Downstream of the suction fan 25 also branches a fluid line 28 in the direction of the catalytic afterburner 19 off to the catalytic afterburner 19 as well as the burner 18 To be able to supply air for a combustion taking place therein. In the fluid line 28 is another mass flow controller 23 for controlling the air supply in the direction of the catalytic afterburner 19 arranged.

Gemäß der in 1 dargestellten Ausführungsform sind auch stromaufwärts des Reformers 17 und stromabwärts des zweiten Hauptsperrventils 8 ein Massenstromregler 21 zum Regeln einer Brennstoffzufuhr in Richtung des Reformers 17 sowie entsprechend zum Anodenabschnitt 15 des Brennstoffzellenstapels 14 angeordnet. Ein solcher Massenstromregler 22 ist auch stromabwärts des zweiten Nebensperrventils 13 zum Regeln einer Brennstoffzufuhr über die Puffer-Entschwefelungseinheit 5 durch die Entlüftungspassage 11 zum Brenner 18 angeordnet. Zum Auslassen der verbrannten Abgase in die Umgebung des Brennstoffzellensystems 2 weist das Brennstoffzellensystem 2 einen Auslassabschnitt 29 auf. In diesem ist der Wärmetauscher 20 stromabwärts des Brenners 18 mit einer heißen Seite eingebunden.According to the in 1 illustrated embodiment are also upstream of the reformer 17 and downstream of the second main stop valve 8th a mass flow controller 21 for controlling a fuel supply in the direction of the reformer 17 and according to the anode section 15 of the fuel cell stack 14 arranged. Such a mass flow controller 22 is also downstream of the second secondary check valve 13 for controlling a fuel supply via the buffer desulfurization unit 5 through the ventilation passage 11 to the burner 18 arranged. For discharging the burnt exhaust gases into the environment of the fuel cell system 2 has the fuel cell system 2 an outlet section 29 on. In this is the heat exchanger 20 downstream of the burner 18 involved with a hot side.

Mit Bezug auf 2 wird anschließend ein Verfahren zum Austauschen der Haupt-Entschwefelungseinheit 3 in einem Brennstoffzellensystem 2 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform beschrieben.Regarding 2 Subsequently, a method for replacing the main desulfurization unit 3 in a fuel cell system 2 described according to a preferred embodiment.

In einem ersten Schritt S1 wird die Haupt-Sperrvorrichtung, also sowohl das erste Hauptsperrventil 7 als auch das zweite Hauptsperrventil 8, in einen Sperrzustand zum Sperren der Haupt-Brennstoffpassage 4 stromaufwärts und stromabwärts der Haupt-Entschwefelungseinheit 3 geschaltet. In einem zweiten Schritt wird die neben-Sperrvorrichtung, also sowohl das erste Nebensperrventil 12 als auch das zweite Nebensperrventil 13, in einen Durchlasszustand geschaltet. Hierbei wird die Brennstoffzufuhr in Richtung des Anodenabschnitts 15 über den Bypass der Neben-Brennstoffpassage 6 durch die Puffer-Entschwefelungseinheit 5 umgeleitet. Nun wird das Brennstoffzellensystem 2 in einem Austauschbetriebszustand betrieben. Für einen unterbrechungsfreien Betrieb erfolgt das Sperren der Haupt-Brennstoffpassage 4 und das Schalten in den Durchlasszustand der Neben-Brennstoffpassage 6 zeitgleich oder findet so zeitversetzt statt, dass die Gasversorgung der Massenstromregler 21, 22 immer sichergestellt ist.In a first step S1 becomes the main locking device, so both the first main shut-off valve 7 as well as the second main shut-off valve 8th in a locked state for blocking the main fuel passage 4 upstream and downstream of the main desulfurization unit 3 connected. In a second step, the side-locking device, so both the first secondary check valve 12 as well as the second secondary shut-off valve 13 , switched to an on state. In this case, the fuel supply in the direction of the anode section 15 over the bypass of the sub-fuel passage 6 through the buffer desulfurization unit 5 diverted. Now the fuel cell system 2 operated in an exchange mode. For interruption-free operation, the main fuel passage is blocked 4 and switching to the on-state of the sub-fuel passage 6 at the same time or takes place with a time delay so that the gas supply to the mass flow controller 21 . 22 is always ensured.

Grundsätzlich kann es auch vorteilhaft sein, wenn in einem ersten Schritt die Neben-Sperrvorrichtung in einen Durchlasszustand geschalten wird und in einem zweiten Schritt die Haupt-Sperrvorrichtung in einen Sperrzustand geschalten wird. Gemäß 2 wären also die Schritte S1 und S2 vertauscht, wobei Schritt S2 vor dem Schritt S1 durchgeführt wird. Dies ist günstig, da dadurch eine Brennstoffversorgung kontinuierlich und/oder unterbrechungsfrei erfolgen kann.In principle, it may also be advantageous if, in a first step, the sub-locking device is switched to an on-state and in a second step, the main-locking device is switched to a blocking state. According to 2 So that would be the steps S1 and S2 swapped, taking step S2 before the step S1 is carried out. This is favorable, as a result of this a fuel supply can take place continuously and / or without interruption.

In einem in allen Fällen anschließenden Schritt S3 wird die Haupt-Entschwefelungseinheit 3 durch eine neue Haupt-Entschwefelungseinheit 3 getauscht, während der Brennstoff durch die Puffer-Entschwefelungseinheit 3 in Richtung des Anodenabschnitts 15 geleitet wird. Danach werden das erste Hauptsperrventil 7 und das Entlüftungsventil 9 in einem vierten Schritt S4 jeweils in einen Durchlasszustand geschaltet. Nun können die Haupt-Brennstoffpassage 4 sowie die neue Haupt-Entschwefelungseinheit 3 in Schritt S5 mit Brennstoff, vorliegend Erdgas, dadurch entlüftet werden, dass der Brennstoff von der Brennstoffquelle 26 über die Haupt-Brennstoffpassage 4 durch die neue Haupt-Entschwefelungseinheit 3 und weiter über die aus der Haupt-Brennstoffpassage 4 abzweigende Entlüftungspassage 11 durch das Entlüftungsventil 9 zu dem bzw. in den Brenner 18 geführt und dort verbrannt wird. Während des Entlüftens der Haupt-Entschwefelungseinheit 3 und der Haupt-Brennstoffpassage 4 im Beriech der Haupt-Entschwefelungseinheit 3 wird ein Volumenstrom des Brennstoffs von der Brennstoffquelle 26 zum Brenner 18 durch das Drosselventil 10 auf einen vordefinierten Wert geregelt.In a subsequent step in all cases S3 becomes the main desulphurisation unit 3 through a new main desulphurisation unit 3 exchanged while the fuel through the buffer desulfurization unit 3 in the direction of the anode section 15 is directed. After that, the first main shut-off valve 7 and the vent valve 9 in a fourth step S4 each switched to an on state. Now, the main fuel passage 4 as well as the new main desulphurisation unit 3 in step S5 With fuel, in the present case natural gas, be vented by the fuel from the fuel source 26 about the main fuel passage 4 through the new main desulphurisation unit 3 and continue on from the main fuel passage 4 branching vent passage 11 through the vent valve 9 to or into the burner 18 led and burned there. During bleeding of the main desulphurisation unit 3 and the main fuel passage 4 in the area of the main desulphurisation unit 3 becomes a volume flow of the fuel from the fuel source 26 to the burner 18 through the throttle valve 10 regulated to a predefined value.

Nach der Entlüftung wird das Entlüftungsventil 9 in Schritt S6 wieder in einen Sperrzustand geschaltet. Außerdem wird das zweite Hauptsperrventil 8 in einem siebten Schritt S7 in einen Durchlasszustand geschaltet. Nun kann in einem achten Schritt S8 die Neben-Sperrvorrichtung 12, 13 wieder in den Sperrzustand geschaltet werden und das Brennstoffzellensystem 2 unter Verwendung der neuen Haupt-Entschwefelungseinheit 3 im Normalbetriebsmodus betrieben werden.After venting, the vent valve 9 in step S6 switched back to a locked state. In addition, the second main shut-off valve 8th in a seventh step S7 switched to an on state. Now, in an eighth step S8 the sub-locking device 12 . 13 be switched back to the off state and the fuel cell system 2 using the new main desulphurisation unit 3 be operated in normal operating mode.

Die Erfindung lässt neben den dargestellten Ausführungsformen weitere Gestaltungsgrundsätze zu. D.h., die Erfindung soll nicht auf die mit Bezug auf die Figuren erläuterten Ausführungsbeispiele beschränkt betrachtet werden.In addition to the illustrated embodiments, the invention allows for further design principles. That is, the invention should not be considered limited to the embodiments explained with reference to the figures.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
EntschwefelungsanordnungEntschwefelungsanordnung
22
BrennstoffzellensystemThe fuel cell system
33
Haupt-EntschwefelungseinheitMain desulfurization
44
Haupt-BrennstoffpassageMain fuel passage
55
Puffer-EntschwefelungseinheitBuffer desulfurization
66
Neben-BrennstoffpassageBesides fuel passage
77
Hauptsperrventil (Haupt-Sperrvorrichtung)Master stop valve (main stopper)
88th
Hauptsperrventil (Haupt-Sperrvorrichtung)Master stop valve (main stopper)
99
Entlüftungsventilvent valve
1010
Drosselventilthrottle valve
1111
Entlüftungspassagevent passage
1212
Nebensperrventil (Neben-Sperrvorrichtung)Secondary shut-off valve (secondary shut-off device)
1313
Nebensperrventil (Neben-Sperrvorrichtung)Secondary shut-off valve (secondary shut-off device)
1414
Brennstoffzellenstapelfuel cell stack
1515
Anodenabschnittanode section
1616
Kathodenabschnittcathode portion
1717
Reformerreformer
1818
Brennerburner
1919
katalytischer Nachbrennercatalytic afterburner
2020
Wärmetauscherheat exchangers
21 21
MassenstromreglerMass flow controllers
2222
MassenstromreglerMass flow controllers
2323
MassenstromreglerMass flow controllers
2424
MassenstromreglerMass flow controllers
2525
Sauggebläseaspirator
2626
Brennstoffquellefuel source
2727
KathodengaszuführabschnittKathodengaszuführabschnitt
2828
Fluidleitungfluid line
2929
Auslassabschnittoutlet
3030
GasversorgungsleitungGas supply line

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 20122157 U1 [0002]DE 20122157 U1 [0002]
  • US 2012/0040256 A1 [0002]US 2012/0040256 A1 [0002]

Claims (14)

Entschwefelungsanordnung (1) für ein Brennstoffzellensystem (2), aufweisend: - eine Haupt-Entschwefelungseinheit (3) zum Entschwefeln von Brennstoff für das Brennstoffzellensystem (2) in einer Haupt-Brennstoffpassage (4) des Brennstoffzellensystems (2) während einer Normalbetriebsphase, in welcher das Brennstoffzellensystem (2) überwiegend betrieben wird, - eine Puffer-Entschwefelungseinheit (5) zum Entschwefeln des Brennstoffs in einer zumindest abschnittsweise parallel zur Haupt-Brennstoffpassage (4) ausgestalteten Neben-Brennstoffpassage (6) des Brennstoffzellensystems (2), die einen Bypass zur Haupt-Entschwefelungseinheit (3) bildet, in einer Austauschbetriebsphase des Brennstoffzellensystems (2), in welcher ein Austausch der Haupt-Entschwefelungseinheit (3) durchgeführt wird, und - eine Haupt-Sperrvorrichtung (7, 8) zum Sperren der Haupt-Brennstoffpassage (4) zumindest abschnittsweise stromaufwärts und stromabwärts der Haupt-Entschwefelungseinheit (3) während der Austauschbetriebsphase des Brennstoffzellensystems (2).Desulphurisation arrangement (1) for a fuel cell system (2), comprising: a main desulphurisation unit (3) for desulphurizing fuel for the fuel cell system (2) in a main fuel passage (4) of the fuel cell system (2) during a normal operating phase in which the fuel cell system (2) is predominantly operated, - A buffer desulfurization unit (5) for desulfurizing the fuel in a at least partially parallel to the main fuel passage (4) configured sub-fuel passage (6) of the fuel cell system (2), which forms a bypass to the main desulfurization unit (3) an exchange operation phase of the fuel cell system (2) in which an exchange of the main desulfurization unit (3) is performed, and - A main locking device (7, 8) for blocking the main fuel passage (4) at least partially upstream and downstream of the main desulfurization unit (3) during the exchange operating phase of the fuel cell system (2). Entschwefelungsanordnung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Haupt-Entschwefelungseinheit (3) und die Puffer-Entschwefelungseinheit (5) jeweils das gleiche oder zumindest teilweise das gleiche Entschwefelungsmaterial zum Entschwefeln des Brennstoffs aufweisen.Desulfurization (1) according to Claim 1 characterized in that the main desulfurization unit (3) and the buffer desulfurization unit (5) each have the same or at least partially the same desulfurization material for desulfurizing the fuel. Entschwefelungsanordnung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Entschwefelungsmaterial ein Adsorbens mit Mangandioxid und Kupferoxid aufweist.Desulfurization (1) according to Claim 2 , characterized in that the desulfurizing material comprises an adsorbent with manganese dioxide and copper oxide. Entschwefelungsanordnung (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch wenigstens ein Entlüftungsventil (9) zur Anordnung stromabwärts der Haupt-Entschwefelungseinheit (3) in einer zumindest abschnittsweise parallel zur Haupt-Brennstoffpassage (4) ausgestalteten Entlüftungspassage (11) des Brennstoffzellensystems (2) und dort zum Entlüften der Haupt-Entschwefelungseinheit (3) während der Austauschbetriebsphase, in welcher sich die Haupt-Sperrvorrichtung (7, 8) in der Haupt-Brennstoffpassage (4) stromaufwärts der Haupt-Entschwefelungseinheit (3) in einem Durchlasszustand und stromabwärts der Haupt-Entschwefelungseinheit (3) in einem Sperrzustand befindet.Desulphurisation arrangement (1) according to one of the preceding claims, characterized by at least one venting valve (9) for arrangement downstream of the main desulphurisation unit (3) in a venting passage (11) of the fuel cell system (2) designed at least in sections parallel to the main fuel passage (4). and there for venting the main desulfurization unit (3) during the replacement operation phase, in which the main lock device (7, 8) in the main fuel passage (4) upstream of the main desulfurization unit (3) in an on-state and downstream of the main Entschwefelungseinheit (3) is in a locked state. Entschwefelungsanordnung (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Neben-Sperrvorrichtung (12, 13) zum Sperren der Neben-Brennstoffpassage (6) zumindest abschnittsweise stromaufwärts und stromabwärts der Puffer-Entschwefelungseinheit (5) während der Normalbetriebsphase des Brennstoffzellensystems (2).Desulphurization arrangement (1) according to one of the preceding claims, characterized by a secondary blocking device (12, 13) for blocking the secondary fuel passage (6) at least in sections upstream and downstream of the buffer desulfurization unit (5) during the normal operating phase of the fuel cell system (2). , Entschwefelungsanordnung (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Haupt-Entschweflungseinheit (3) mehr Entschwefelungsmaterial als die Puffer-Entschwefelungseinheit (5) aufweist.Desulfurization (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the main desulfurization unit (3) more desulfurization than the buffer desulfurization unit (5). Brennstoffzellensystem (2), aufweisend einen Brennstoffzellenstapel (14) mit einem Anodenabschnitt (15) und einem Kathodenabschnitt (16), einen Reformer (17) stromaufwärts des Anodenabschnitts (15) zum Reformieren von Brennstoff für den Anodenabschnitt (15), einen Brenner (18) stromabwärts des Brennstoffzellenstapels (14), eine Brennstoffquelle (26) zum Bereitstellen des Brennstoffs für das Brennstoffzellensystem (2), und eine Entschwefelungsanordnung (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die Haupt-Entschwefelungseinheit (3) in der Haupt-Brennstoffpassage (4) angeordnet ist, die Puffer-Entschwefelungseinheit (5) in der parallel zur Haupt-Brennstoffpassage (4) ausgestalteten Neben-Brennstoffpassage (6), welche einen Bypass zur Haupt-Entschwefelungseinheit (3) bildet, angeordnet ist, und die Haupt-Sperrvorrichtung (7, 8), zum Sperren der Haupt-Brennstoffpassage (4) zumindest abschnittsweise stromaufwärts und stromabwärts der Haupt-Entschwefelungseinheit (3) während der Austauschbetriebsphase des Brennstoffzellensystems (2), ausgestaltet ist.A fuel cell system (2) comprising a fuel cell stack (14) having an anode portion (15) and a cathode portion (16), a reformer (17) upstream of the anode portion (15) for reforming fuel for the anode portion (15), a burner (18 ) downstream of the fuel cell stack (14), a fuel source (26) for providing the fuel for the fuel cell system (2), and a desulfurization device (1) according to any one of the preceding claims, wherein the main desulfurization unit (3) in the main fuel passage ( 4), the buffer desulfurization unit (5) is disposed in the sub fuel passage (6) configured in parallel to the main fuel passage (4), which bypasses the main desulfurization unit (3), and the main lock device (7, 8), for blocking the main fuel passage (4) at least in sections upstream and downstream of the main desulfurization unit (3) during d he exchange operating phase of the fuel cell system (2), is configured. Brennstoffzellensystem (2) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Entlüftungsventil (9) stromabwärts der Haupt-Entschwefelungseinheit (3) in der zumindest abschnittsweise parallel zur Haupt-Brennstoffpassage (4) ausgestalteten Entlüftungspassage (11) des Brennstoffzellensystems (2) angeordnet ist, wobei das Entlüftungsventil (9) zum Entlüften der Haupt-Entschwefelungseinheit (3) während der Austauschbetriebsphase in Richtung des Nachbrenners (18) des Brennstoffzellensystems (2), der stromabwärts des Entlüftungsventils (9) angeordnet ist, konfiguriert ist.Fuel cell system (2) after Claim 7 Characterized in that the at least one vent valve (9) downstream of the main desulfurization unit (3) in the at least partially parallel to the main fuel passage (4) designed vent passage (11) of the fuel cell system (2) is disposed, wherein the vent valve (9 for venting the main desulfurization unit (3) during the replacement operation phase toward the afterburner (18) of the fuel cell system (2) located downstream of the bleed valve (9). Brennstoffzellensystem (2) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass dem Brenner (18) stromabwärts des Brennstoffzellenstapels (14) ein katalytischer Nachbrenner (19) vorgelagert ist und die Entlüftungspassage (11) vorbei am katalytischen Nachbrenner (19) in den Brenner (18) führt.Fuel cell system (2) after Claim 8 , characterized in that the burner (18) upstream of the fuel cell stack (14) is preceded by a catalytic afterburner (19) and the vent passage (11) past the catalytic afterburner (19) in the burner (18). Brennstoffzellensystem (2) nach einem der Ansprüche 8 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts des Entlüftungsventils (9) ein Drosselventil (10) zum vordefinierten Drosseln eines Entlüftungsstroms in Richtung des Brenners (18) angeordnet ist.Fuel cell system (2) according to one of Claims 8 to 9 , characterized in that downstream of the vent valve (9), a throttle valve (10) for predefined throttling a vent flow in the direction of the burner (18) is arranged. Verfahren zum Austauschen der Haupt-Entschwefelungseinheit (3) in einem Brennstoffzellensystem (2) nach einem der Ansprüche 7 bis 10, aufweisend die Schritte: - Schalten der Haupt-Sperrvorrichtung (7, 8) in einen Sperrzustand zum Sperren der Haupt-Brennstoffpassage (4) zumindest abschnittsweise stromaufwärts und stromabwärts der Haupt-Entschwefelungseinheit (3), - Umleiten einer Brennstoffzufuhr in Richtung des Anodenabschnitts (15) durch die Puffer-Entschwefelungseinheit (5), - Austauschen der Haupt-Entschwefelungseinheit (3) durch eine neue Haupt-Entschwefelungseinheit (3), während der Brennstoff durch die Puffer-Entschwefelungseinheit (3) in Richtung des Anodenabschnitts (15) geleitet wird, und - Schalten der Haupt-Sperrvorrichtung (7, 8) in einen Durchlasszustand zum Freigeben der Haupt-Brennstoffpassage (4) für einen Brennstofffluss von der Brennstoffquelle (26) durch die Haupt-Entschwefelungseinheit (3) zum Anodenabschnitts (15) des Brennstoffzellenstapels (14) nach dem Austauschen der Haupt-Entschwefelungseinheit (3).Method for replacing the main desulfurization unit (3) in a fuel cell system (2) according to one of Claims 7 to 10 comprising the steps: - Switching the main blocking device (7, 8) in a blocking state for blocking the main fuel passage (4) at least in sections upstream and downstream of the main desulfurization unit (3), - Redirecting a fuel supply in the direction of the anode portion (15) by the buffer Desulfurization unit (5), replacing the main desulfurization unit (3) with a new main desulfurization unit (3) while passing the fuel through the buffer desulfurization unit (3) toward the anode portion (15), and switching the main In a passage state for releasing the main fuel passage (4) for a fuel flow from the fuel source (26) through the main desulfurization unit (3) to the anode portion (15) of the fuel cell stack (14) after replacing the Main desulphurisation unit (3). Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Neben-Sperrvorrichtung (12, 13) für das Umleiten der Brennstoffzufuhr durch die Neben-Brennstoffpassage (6) zumindest abschnittsweise stromaufwärts und stromabwärts der Puffer-Entschwefelungseinheit (5) in einen Durchlasszustand geschaltet wird.Method according to Claim 11 characterized in that the sub-lock device (12, 13) for bypassing the fuel supply through the sub-fuel passage (6) is switched at least in sections upstream and downstream of the buffer desulfurization unit (5) to an on-state. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Entlüftungsventil (9) nach dem Austauschen der Haupt-Entschwefelungseinheit (3) und vor dem Schalten der Haupt-Sperrvorrichtung (7, 8) in den Durchlasszustand in einen Entlüftungszustand geschaltet wird, und die Haupt-Sperrvorrichtung (7, 8) in der Haupt-Brennstoffpassage (4) stromaufwärts der Haupt-Entschwefelungseinheit (3) in einen Durchlasszustand und stromabwärts der Haupt-Entschwefelungseinheit (3) in einem Sperrzustand geschaltet wird, wobei die Haupt-Entschwefelungseinheit (3) sowie die Haupt-Brennstoffpassage (4) mittels Brennstoff aus der Brennstoffquelle (26), der von der Brennstoffquelle (26) über die Haupt-Entschwefelungseinheit (3) durch das Entlüftungsventil (9) geleitet wird, entlüftet werden.Method according to one of Claims 11 to 12 characterized in that, after replacing the main desulfurization unit (3) and before the main shut-off device (7, 8) is switched to the on- state , the bleed valve (9) is switched to the bleeding state, and the main shut-off device (7, 8) in the main fuel passage (4) upstream of the main desulfurization unit (3) is switched to an on-state and downstream of the main desulfurization unit (3) in a blocking state, the main desulfurization unit (3) and the main fuel passage ( 4) are vented by means of fuel from the fuel source (26) directed from the fuel source (26) through the main desulphurisation unit (3) through the bleed valve (9). Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Volumenstrom des Brennstoffs von der Brennstoffquelle (26) zum Brenner (18) während des Entlüftens der Haupt-Entschwefelungseinheit (3) und der Haupt-Brennstoffpassage (4) durch das Drosselventil (10) auf einen vordefinierten Wert geregelt wird.Method according to one of Claims 11 to 13 characterized in that a volume flow of the fuel from the fuel source (26) to the burner (18) during venting of the main desulfurization unit (3) and the main fuel passage (4) through the throttle valve (10) is controlled to a predefined value ,
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