DE102019111462A1 - Fuel cell system, stationary power plant and method for operating a fuel cell system - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem (1), aufweisend zumindest einen Brennstoffzellenstapel (10) mit einem Anodenabschnitt (11) und einem Kathodenabschnitt (12), einen Kathodenzuführabschnitt (20) zum Zuführen von Kathodengas (30) zum Kathodenabschnitt (12), einen Anodenzuführabschnitt (21) zum Zuführen von Anodengas (31) zum Anodenabschnitt (11), einen Kathodenabgasabschnitt (22) zum Abführen von Kathodenabgas (32) vom Kathodenabschnitt (12), einen Anodenabgasabschnitt (23) zum Abführen von Anodenabgas (33) vom Anodenabschnitt (11), wobei der Kathodenabgasabschnitt (22) und der Anodenabgasabschnitt (23) in einen Abgasbrenner (40) zum zumindest teilweisen Verbrennen des Kathodenabgases (32) und des Anodenabgases (33) münden, sowie einen Abgasabfuhrabschnitt (24) zum Abführen von Brennstoffzellenabgas (34) vom Abgasbrenner (40). Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Stationäres Kraftwerk (100) zur Erzeugung elektrischer Energie, aufweisend ein Brennstoffzellensystem (1) sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (1) oder eines stationären Kraftwerks (100) mit einem Brennstoffzellensystem (1), wobei das Brennstoffzellensystem (1) elektrische Energie für ein nachgeschaltetes elektrisches Verbrauchernetz (101) erzeugt.

Figure DE102019111462A1_0000
The present invention relates to a fuel cell system (1) comprising at least one fuel cell stack (10) having an anode portion (11) and a cathode portion (12), a cathode supply portion (20) for supplying cathode gas (30) to the cathode portion (12), an anode supply portion (21) for supplying anode gas (31) to the anode portion (11), a cathode exhaust portion (22) for discharging cathode exhaust gas (32) from the cathode portion (12), an anode exhaust portion (23) for discharging anode exhaust gas (33) from the anode portion (11 wherein the cathode exhaust portion (22) and the anode exhaust portion (23) open into an exhaust gas burner (40) for at least partially burning the cathode exhaust gas (32) and the anode exhaust gas (33), and an exhaust gas exhaust portion (24) for discharging fuel cell exhaust gas (34) from the exhaust gas burner (40). Furthermore, the present invention relates to a stationary power plant (100) for generating electrical energy, comprising a fuel cell system (1) and a method for operating a fuel cell system (1) or a stationary power plant (100) with a fuel cell system (1), wherein the fuel cell system ( 1) generates electrical energy for a downstream electrical consumer network (101).
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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, aufweisend zumindest einen Brennstoffzellenstapel mit einem Anodenabschnitt und einem Kathodenabschnitt, einen Kathodenzuführabschnitt zum Zuführen von Kathodengas zum Kathodenabschnitt, einen Anodenzuführabschnitt zum Zuführen von Anodengas zum Anodenabschnitt, einen Kathodenabgasabschnitt zum Abführen von Kathodenabgas vom Kathodenabschnitt, einen Anodenabgasabschnitt zum Abführen von Anodenabgas vom Anodenabschnitt, wobei der Kathodenabgasabschnitt und der Anodenabgasabschnitt in einen Abgasbrenner zum zumindest teilweisen Verbrennen des Kathodenabgases und des Anodenabgases münden, sowie einen Abgasabfuhrabschnitt zum Abführen von Brennstoffzellenabgas vom Abgasbrenner. Ferner betrifft die Erfindung ein stationäres Kraftwerk zur Erzeugung elektrischer Energie, aufweisend ein Brennstoffzellensystem. Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems oder eines stationären Kraftwerks mit einem Brennstoffzellensystem, wobei das Brennstoffzellensystem elektrische Energie für ein nachgeschaltetes elektrisches Verbrauchernetz erzeugt.The present invention relates to a fuel cell system comprising at least a fuel cell stack having an anode portion and a cathode portion, a cathode supply portion for supplying cathode gas to the cathode portion, an anode supply portion for supplying anode gas to the anode portion, a cathode exhaust portion for discharging cathode exhaust gas from the cathode portion, an anode exhaust portion for discharging Anode exhaust from the anode portion, wherein the cathode exhaust portion and the anode exhaust gas portion open into an exhaust gas burner for at least partially burning the cathode exhaust gas and the anode exhaust gas, and an Abgasabfuhrabschnitt for discharging fuel cell exhaust gas from the exhaust gas burner. Furthermore, the invention relates to a stationary power plant for generating electrical energy, comprising a fuel cell system. A further aspect of the present invention relates to a method for operating a fuel cell system or a stationary power plant with a fuel cell system, wherein the fuel cell system generates electrical energy for a downstream electrical consumer network.

In der modernen Technik werden Brennstoffzellensysteme, oftmals aufweisend einen oder mehrere Brennstoffzellenstapel mit jeweils einer Vielzahl an Brennstoffzellen, unter anderem in stationären Kraftwerken zur Erzeugung von elektrischer Energie für ein nachgeschaltetes Verbrauchernetz eingesetzt. Ein Brennstoffzellensystem ist insbesondere eine besonders energieeffiziente Möglichkeit, um elektrischen Strom zu erzeugen. Insbesondere Festoxidbrennstoffzellen (SOFC), die bei hohen Temperaturen betrieben werden, haben sich für diesen Einsatz als besonders geeignet erwiesen.In modern technology, fuel cell systems, often comprising one or more fuel cell stacks, each with a plurality of fuel cells, are used inter alia in stationary power plants for generating electrical energy for a downstream consumer network. A fuel cell system is in particular a particularly energy-efficient way to generate electricity. Solid oxide fuel cells (SOFC) in particular, which are operated at high temperatures, have proven to be particularly suitable for this use.

Ein Kraftwerk, welches zur Stromversorgung eines nachgeschalteten Verbrauchernetzes eingesetzt wird, muss gewährleisten, dass stets eine benötigte elektrische Leistung zur Verfügung steht. Dabei gibt es verschiedene Regelstufen (primär, sekundär, tertiär), welche angeben, innerhalb welcher Zeitspanne (Sekunden, 5 Minuten, 15 Minuten) auf Änderungen im Verbrauchernetz reagiert werden muss, um eine Frequenzstabilität im Verbrauchernetz sicherzustellen. Brennstoffzellen, insbesondere SOFCs, sind zumeist nicht dazu geeignet, in einer so kurzen Zeit ihre Leistung zu erhöhen oder zu reduzieren. Auch kann ein derartiges Brennstoffzellensystem im Wesentlichen nicht einfach ausgeschalten und wieder eingeschalten werden, da das Brennstoffzellensystem immer eine gewisse Betriebstemperatur braucht.A power plant, which is used to power a downstream consumer network, must ensure that there is always a required electrical power available. There are different levels of regulation (primary, secondary, tertiary), which indicate within which time period (seconds, 5 minutes, 15 minutes) to respond to changes in the consumer network in order to ensure a frequency stability in the consumer network. Fuel cells, in particular SOFCs, are usually not suitable for increasing or reducing their power in such a short time. Also, such a fuel cell system can not be easily turned off and turned on again because the fuel cell system always needs a certain operating temperature.

Aus dem Stand der Technik, beispielsweise der DE 10 2013 207 349 A1 , ist bekannt, bei einem plötzlichen Einbruch der benötigten elektrischen Leistung im Verbrauchernetz, die freiwerdende elektrische Leistung einer Widerstandslast in Wärme umzuwandeln. Diese Wärme kann auf verschiedene Weisen verwendet werden, beispielsweise um das Brennstoffzellensystem auf einer Betriebstemperatur zu halten. Nachteilig hierbei kann jedoch sein, dass dieser Verbrauch von elektrischer Leistung in der Widerstandslast oftmals nicht schlagartig erfolgen kann und somit nur mit einer gewissen Verzögerung durchgeführt werden kann.From the prior art, for example the DE 10 2013 207 349 A1 , It is known, in a sudden collapse of the required electrical power in the consumer network to convert the released electrical power of a resistive load into heat. This heat can be used in various ways, for example, to keep the fuel cell system at an operating temperature. The disadvantage here, however, may be that this consumption of electrical power in the resistance load often can not be abruptly and thus can be performed only with a certain delay.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, der voranstehend beschriebenen Problematik zumindest teilweise Rechnung zu tragen beziehungsweise zumindest alternative Lösungsmöglichkeiten zu schaffen. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Brennstoffzellensystem, ein stationäres Kraftwerk sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems zu schaffen, die in besonders einfacher und kostengünstiger Art und Weise ein Brennstoffzellensystem, ein stationäres Kraftwerk sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems dahingehend verbessern, dass eine freiwerdende elektrische Leistung insbesondere besonders schnell verbraucht werden kann, um einen Betrieb des Brennstoffzellensystems mit konstanter oder zumindest im Wesentlichen konstanter elektrischer Ausgangsleistung zu ermöglichen.Object of the present invention is to at least partially take into account the problem described above, or at least to provide alternative solutions. In particular, it is an object of the present invention to provide a fuel cell system, a stationary power plant and a method for operating a fuel cell system, which in a particularly simple and cost-effective manner, a fuel cell system, a stationary power plant and a method for operating a fuel cell system in that In particular, a released electrical power can be consumed particularly quickly in order to enable operation of the fuel cell system with constant or at least substantially constant electrical output power.

Die voranstehende Aufgabe wird durch die Patentansprüche gelöst. Insbesondere wird die voranstehende Aufgabe durch das Brennstoffzellensystem gemäß dem unabhängigen Anspruch 1, durch das stationäre Kraftwerk gemäß dem nebengeordneten Anspruch 9 sowie durch das Verfahren gemäß dem nebengeordneten Anspruch 10 gelöst. Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen stationären Kraftwerk sowie dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems 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 fuel cell system according to the independent claim 1, by the stationary power plant according to the independent claim 9 and by the method according to the independent claim 10. 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 fuel cell system according to the invention apply, of course, also in connection with the stationary power plant according to the invention and the inventive method for operating a fuel cell system and in each case vice versa, so always with respect to the disclosure of the individual aspects of the invention always referenced or can be.

Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch ein Brennstoffzellensystem, aufweisend zumindest einen Brennstoffzellenstapel mit einem Anodenabschnitt und einem Kathodenabschnitt, einen Kathodenzuführabschnitt zum Zuführen von Kathodengas zum Kathodenabschnitt, einen Anodenzuführabschnitt zum Zuführen von Anodengas zum Anodenabschnitt, einen Kathodenabgasabschnitt zum Abführen von Kathodenabgas vom Kathodenabschnitt, einen Anodenabgasabschnitt zum Abführen von Anodenabgas vom Anodenabschnitt, wobei der Kathodenabgasabschnitt und der Anodenabgasabschnitt in einen Abgasbrenner zum zumindest teilweisen Verbrennen des Kathodenabgases und des Anodenabgases münden, sowie einen Abgasabfuhrabschnitt zum Abführen von Brennstoffzellenabgas vom Abgasbrenner. Ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem ist dadurch gekennzeichnet, dass der Kathodenzuführabschnitt und/oder der Abgasabfuhrabschnitt ein Strömungselement zum Variieren eines Strömungswiderstands für das jeweils strömende Gas aufweist und dass ein Gebläse zum Fördern des Brennstoffzellenabgases vorgesehen ist.According to a first aspect of the present invention, the object is achieved by a fuel cell system comprising at least one fuel cell stack having an anode section and a cathode section, a cathode supply section for supplying cathode gas to the cathode section, an anode supply section for supplying anode gas to the anode section, a cathode exhaust section for Discharging cathode exhaust gas from the cathode portion, an anode exhaust gas portion for discharging anode exhaust gas from the anode portion, the cathode exhaust gas portion and the anode exhaust gas portion opening into an exhaust gas burner for at least partially burning the cathode exhaust gas and the anode exhaust gas, and an exhaust gas exhausting portion for exhausting fuel cell exhaust gas from the exhaust gas burner. A fuel cell system according to the invention is characterized in that the cathode feed section and / or the Abgasabfuhrabschnitt comprises a flow element for varying a flow resistance for the respective flowing gas and that a fan for conveying the fuel cell exhaust gas is provided.

Ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem weist zumindest einen Brennstoffzellenstapel mit einem Anodenabschnitt und einem Kathodenabschnitt auf. Für eine Erzeugung elektrischer Energie werden dem Kathodenabschnitt durch einen Kathodenzuführabschnitt ein Kathodengas, insbesondere ein sauerstoffhaltiges Gas wie beispielsweise Luft, sowie dem Anodenabschnitt durch einen Anodenzuführabschnitt ein Anodengas, insbesondere ein wasserstoffhaltiges Gas, zugeführt. Das Anodengas kann insbesondere auch besonders aufbereitet sein, beispielsweise durch einen Reformer als Teil des Brennstoffzellensystems Durch einen derartigen Reformer kann zum Beispiel Erdgas, insbesondere das im Erdgas enthaltene Methan, unter Beifügung von Wasser und Wärme derart aufbereitet werden, dass als Anodengas ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch entsteht. In der stromerzeugenden Reaktion im Brennstoffzellenstapel diffundieren zumeist Sauerstoffionen vom Kathodenabschnitt durch einen Elektrolyt zum Anodenabschnitt und reagieren dort mit dem Anodengas. Nicht verbrauchtes Kathodengas wird als Kathodenabgas aus dem Kathodenabschnitt durch einen Kathodenabgasabschnitt abgeleitet, entsprechend werden nicht verbrauchtes Anodengas sowie die entstandenen Reaktionsprodukte als Anodenabgas aus dem Anodenabschnitt durch einen Anodenabgasabschnitt abgeleitet. Stromabwärts münden sowohl der Kathodenabgasabschnitt als auch der Anodenabgasabschnitt in einem Abgasbrenner, in dem zumindest teilweise das Kathodenabgas zusammen mit dem Anodenabgas verbrannt wird. Dies kann beispielsweise eine weitere Reinigung des gesamten Abgases des Brennstoffzellensystems, aber auch eine zusätzliche thermische Verwertung des Kathodenabgases und des Anodenabgases zur Steigerung der totalen Energieeffizienz bereitstellen. Anschließend an den Abgasbrenner wird das im Abgasbrenner erzeugte Brennstoffzellenabgas in einem Abgasabfuhrabschnitt abgeführt.A fuel cell system according to the invention has at least one fuel cell stack with an anode section and a cathode section. For generating electrical energy, a cathode gas, in particular an oxygen-containing gas such as, for example, air, is fed to the cathode section through an cathode feed section, and an anode gas, in particular a hydrogen-containing gas, is fed through an anode feed section to the anode section. In particular, the anode gas can also be specially treated, for example by a reformer as part of the fuel cell system. By means of such a reformer, natural gas, in particular the methane contained in the natural gas, can be treated by adding water and heat in such a way that a hydrogen-containing gas mixture is produced as anode gas , In the current-generating reaction in the fuel cell stack, oxygen ions mostly diffuse from the cathode section through an electrolyte to the anode section, where they react with the anode gas. Unused cathode gas is discharged as a cathode off-gas from the cathode portion through a cathode off-gas portion, accordingly, unused anode gas and the resulting reaction products are discharged as an anode off-gas from the anode portion through an anode off-gas portion. Downstream, both the cathode exhaust portion and the anode exhaust portion open into an exhaust gas combustor in which at least part of the cathode exhaust gas is burned together with the anode exhaust gas. This can for example provide a further purification of the entire exhaust gas of the fuel cell system, but also an additional thermal utilization of the cathode exhaust gas and the anode exhaust gas to increase the total energy efficiency. Subsequent to the exhaust gas burner, the fuel cell exhaust gas generated in the exhaust gas burner is discharged in a Abgasabfuhrabschnitt.

Der Betrieb eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems erfordert zumindest im Wesentlichen konstante oder wenigstens ansatzweise konstante Bedingungen. Insbesondere ein schnelles Ändern der elektrischen Ausgangsleistung, sowohl hinsichtlich einer Steigerung als auch hinsichtlich einer Verringerung, ist nicht ohne weiteres möglich. Insbesondere ein plötzliches Absinken eines Bedarfs an elektrischer Leistung kann sich insbesondere bei einem Einsatz eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems zum Erzeugen der elektrischen Energie als problematisch herausstellen.The operation of a fuel cell system according to the invention requires at least substantially constant or at least partially constant conditions. In particular, a rapid change in the electrical output power, both in terms of an increase and in terms of reduction, is not readily possible. In particular, a sudden drop in a demand for electrical power can turn out to be particularly problematic when using a fuel cell system according to the invention for generating the electrical energy.

Es ist daher bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem vorgesehen, die insbesondere bei einem Absinken eines Bedarfs an elektrischer Leistung freiwerdende elektrische Leistung zumindest teilweise intern im Brennstoffzellensystem selbst zu verbrauchen. Erfindungswesentlich weist der Kathodenzuführabschnitt und/oder der Abgasabfuhrabschnitt dafür ein Strömungselement zum Variieren eines Strömungswiderstands für das jeweils strömende Gas sowie ein Gebläse zum Fördern des Brennstoffzellenabgases auf. Durch das Strömungselement kann ein Strömungswiderstand erhöht werden, wobei das Gebläse für eine zumindest teilweise Kompensation dieser Erhöhung mit gesteigerter Leistung betrieben werden kann. Diese Leistungssteigerung geht mit einem vermehrten Verbrauch an elektrischer Energie einher, die bevorzugt vom Brennstoffzellensystem selbst direkt oder indirekt bereitgestellt wird. Eine zumindest teilweise Kompensation der bei einem Absinken eines Bedarfs an elektrischer Leistung freiwerdenden elektrischen Leistung kann auf diese Weise bereitgestellt werden. Ein konstanter oder zumindest im Wesentlichen konstanter Betrieb des Brennstoffzellensystems kann somit auf diese Weise ermöglicht werden.It is therefore provided in a fuel cell system according to the invention, in particular to be consumed at least partially internally in the fuel cell system itself in a decrease in a need for electrical power released electric power. For this purpose, the cathode supply section and / or the exhaust gas discharge section have a flow element for varying a flow resistance for the respectively flowing gas and a fan for conveying the fuel cell exhaust gas. By the flow element, a flow resistance can be increased, wherein the fan for an at least partial compensation of this increase can be operated with increased power. This power increase is accompanied by an increased consumption of electrical energy, which is preferably provided directly or indirectly by the fuel cell system itself. An at least partial compensation of the electric power released when a demand for electrical power decreases can be provided in this way. A constant or at least substantially constant operation of the fuel cell system can thus be made possible in this way.

Mit anderen Worten wird im Strömungspfad, der aus Kathodenzuführabschnitt, Kathodenabschnitt, Kathodenabgasabschnitt, Abgasbrenner und Abgasabfuhrabschnitt fluidkommunizierend gebildet ist, ein Strömungselement angeordnet, durch das ein Strömungswiderstand im gesamten Strömungspfad variiert, insbesondere erhöht werden kann. Diese Variation des Strömungswiderstands kann insbesondere unabhängig davon bereitgestellt werden, ob das Strömungselement bereits im Kathodenzuführabschnitt oder erst im Abgasabführabschnitt angeordnet ist. Gleichzeitig ist ein Gebläse angeordnet, durch das eine Förderung des Brennstoffzellenabgases bereitgestellt werden kann. Das Gebläse kann im Rahmen der Erfindung als Abgasgebläse ausgebildet und im Abgasfuhrabschnitt angeordnet sein. Alternativ kann dieses auch als Kathodengebläse ausgebildet und im Kathodenzuführabschnitt angeordnet sein. Grundsätzlich ist es auch denkbar, dass sowohl der Akthodenzuführabschnitt als auch der Abgasfuhrabschnitt ein Gebläse aufweisen. Wie oben bereits beschrieben, sind der Kathodenzuführabschnitt, der Kathodenabschnitt, der Kathodenabgasabschnitt, der Abgasbrenner und der Abgasabfuhrabschnitt fluidkommunizierend als ein gemeinsamer Strömungspfad verbunden. Das Gebläse ist somit insbesondere auch zum Fördern des Kathodengases im Kathodenzuführabschnitt sowie des Kathodenabgases im Kathodenabgasabschnitt ausgebildet. Für diese Aufgabe kann das Gebläse insbesondere als ein Sauggebläse ausgebildet sein. Mit anderen Worten erzeugt das Gebläse im Abgasabführabschnitt einen Unterdruck, der sowohl das Brennstoffzellenabgas im Abgasabführabschnitt, als auch das Kathodenabgas im Kathodenabgasabschnitt sowie das Kathodengas im Kathodenzuführabschnitt fördert. Besonders bevorzugt ist das Gebläse im Abgasfuhrabschnitt angeordnet. Das Anordnen des Gebläses im Abgasabfuhrabschnitt bringt hierbei insbesondere den Vorteil mit sich, dass die Gase im Strömungspfad, insbesondere das Kathodengas im Kathodenzuführabschnitt, das Kathodenabgas im Kathodenabgasabschnitt sowie das Brennstoffzellenabgas im Abgasabfuhrabschnitt, durch den Strömungspfad gezogen beziehungsweise gesaugt werden. Besonders gute Strömungseigenschaften, insbesondere ein Vermeiden von Stauungen der strömenden Gase und damit einhergehende Druckspitzen, können auf diese Weise bereitgestellt werden.In other words, a flow element is arranged in the flow path, which is formed from Kathodenzuführabschnitt Kathodenenzuführabschnitt, cathode section, cathode exhaust gas section, exhaust gas burner and Abgasabfuhrabschnitt, through which a flow resistance in the entire flow path varies, in particular can be increased. This variation of the flow resistance can in particular be provided independently of whether the flow element is already arranged in the cathode feed section or only in the exhaust gas removal section. At the same time a fan is arranged, through which a promotion of the fuel cell exhaust gas can be provided. The fan may be formed in the context of the invention as an exhaust fan and arranged in Abgasufuhrabschnitt. Alternatively, this can also be designed as a cathode fan and arranged in the cathode feed section. In principle, it is also conceivable that both the Akthodenzuführabschnitt and Abgasufuhrabschnitt have a fan. As already described above, the cathode supply section, the cathode section, the Cathode exhaust portion, the exhaust gas burner and Abgasabfuhrabschnitt fluid communicating connected as a common flow path. The blower is thus also designed, in particular, for conveying the cathode gas in the cathode supply section and the cathode exhaust gas in the cathode exhaust gas section. For this task, the blower can be designed in particular as a suction fan. In other words, the blower in the exhaust gas discharge section generates a negative pressure that promotes both the fuel cell exhaust gas in the exhaust gas discharge section and the cathode exhaust gas in the cathode exhaust gas section and the cathode gas in the cathode supply section. Particularly preferably, the fan is arranged in the Abgasfuhrabschnitt. The arranging of the blower in the exhaust gas discharge section brings with it in particular the advantage that the gases in the flow path, in particular the cathode gas in the cathode supply section, the cathode exhaust gas in the cathode exhaust gas section and the fuel cell exhaust gas in the exhaust gas discharge section, are drawn or sucked through the flow path. Particularly good flow properties, in particular a prevention of congestion of the flowing gases and associated pressure peaks, can be provided in this way.

Darüber hinaus ist das Gebläse wie oben beschrieben bevorzugt derart ansteuerbar, dass die durch das Strömungselement erzeugte Variation des Strömungswiderstands im Strömungspfad zumindest teilweise kompensiert werden kann. Dieses Kompensieren ermöglicht einen zumindest im Wesentlichen unveränderten Betrieb des Brennstoffzellensystems, zumindest hinsichtlich des Gassystems des Brennstoffzellensystems. Ferner führt es zu einem erhöhten Verbrauch an elektrischer Energie im Gebläse. Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass die Variation, insbesondere die Erhöhung, des Strömungswiderstands durch das Strömungselement derart ausgeführt wird, dass die durch das Gebläse vermehrt benötigte elektrische Energie derjenigen elektrischen Energie entspricht oder zumindest im Wesentlichen entspricht, die bei einem Absinken eines Bedarfs an elektrischer Leistung frei wird. Auf diese Weise kann auch hinsichtlich der durch das Brennstoffzellensystem bereitgestellten elektrischen Leistung ein zumindest im Wesentlichen konstanter Betrieb des Brennstoffzellensystems ermöglicht werden.In addition, as described above, the blower can preferably be controlled in such a way that the variation of the flow resistance in the flow path generated by the flow element can be at least partially compensated. This compensation enables at least substantially unchanged operation of the fuel cell system, at least with regard to the gas system of the fuel cell system. Furthermore, it leads to an increased consumption of electrical energy in the fan. It can preferably be provided that the variation, in particular the increase, of the flow resistance through the flow element is carried out in such a way that the electrical energy increasingly required by the blower corresponds or at least essentially corresponds to that electrical energy which occurs when the demand for electrical power falls becomes free. In this way, an at least substantially constant operation of the fuel cell system can also be made possible with regard to the electrical power provided by the fuel cell system.

Zusammenfassend kann bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem besonders einfach, kostengünstig und insbesondere zeitlich schnell ein internes Verbrauchen der freiwerdenden elektrischen Energie, die bei einer Verringerung einer Lastanforderung auftritt, bereitgestellt werden. Dies kann insbesondere durch das Zusammenspiel des Strömungselements und des Gebläses des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ermöglicht werden.In summary, in a fuel cell system according to the invention, an internal consumption of the released electrical energy, which occurs when a load request is reduced, can be provided in a particularly simple, cost-effective and, in particular, timely manner. This can be made possible in particular by the interaction of the flow element and the blower of the fuel cell system according to the invention.

Günstig ist es, wenn der Kathodenzuführabschnitt und/oder der Abgasabfuhrabschnitt das Gebläse zum Fördern des Brennstoffzellenabgases aufweist. Das Gebläse kann im Rahmen der Erfindung als Abgasgebläse ausgebildet und im Abgasfuhrabschnitt angeordnet sein. Alternativ kann dieses auch als Kathodengebläse ausgebildet und im Kathodenzuführabschnitt angeordnet sein. Grundsätzlich ist es auch denkbar, dass sowohl der Kathodenzuführabschnitt als auch der Abgasfuhrabschnitt ein Gebläse aufweisen.It is favorable if the cathode supply section and / or the exhaust gas removal section has the blower for conveying the fuel cell exhaust gas. The fan may be formed in the context of the invention as an exhaust fan and arranged in Abgasufuhrabschnitt. Alternatively, this can also be designed as a cathode fan and arranged in the cathode feed section. In principle, it is also conceivable that both the cathode supply section and the Abgasfuhrabschnitt have a fan.

Ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem kann ferner dahingehend ausgebildet sein, dass das Strömungselement zumindest ein ansteuerbares Drosselelement im Kathodenzuführabschnitt umfasst. Ein derartiges ansteuerbares Drosselelement stellt eine mechanisch besonders einfache Möglichkeit dar, um ein Strömungselement zu realisieren. Insbesondere können bevorzugt auch geeignete ansteuerbare Drosselelemente als Strömungselement im Sinne der Erfindung verwendet werden, die bereits im Kathodenzuführabschnitt vorhanden sind. Durch die Möglichkeit der Ansteuerung kann der Strömungswiderstand im Strömungspfad, in dieser Ausgestaltungsform insbesondere im Kathodenzuführabschnitt, gezielt und insbesondere reversibel eingestellt werden. Eine besonders bedarfsgerechte und - angepasste Einstellung des Strömungswiderstands des gesamten Strömungspfades kann auf diese Weise bereitgestellt werden. Ist das Gebläse im Kathodenzuführabschnitt angeordnet, kann das ansteuerbare Drosselventil mit Vorteil stromaufwärts des Gebläses angeordnet sein. Günstig kann es auch sein, wenn zwei ansteuerbare Drosselventile im Kathodenzuführabschnitt vorgesehen sind, wobei ein erstes Drosselventil stromaufwärts und ein zweites Drosselventil stromabwärts des Gebläses angeordnet ist.A fuel cell system according to the invention can also be designed such that the flow element comprises at least one controllable throttle element in the cathode feed section. Such a controllable throttle element is a mechanically particularly simple way to realize a flow element. In particular, suitable controllable throttle elements can preferably also be used as the flow element in the sense of the invention, which are already present in the cathode supply section. By the possibility of driving the flow resistance in the flow path, in this embodiment, in particular in Kathodenzuführabschnitt be targeted and in particular reversible. A particularly need-based and - adjusted adjustment of the flow resistance of the entire flow path can be provided in this way. If the blower is arranged in the cathode feed section, the controllable throttle valve can advantageously be arranged upstream of the blower. It may also be favorable if two controllable throttle valves are provided in the cathode feed section, wherein a first throttle valve is arranged upstream and a second throttle valve is arranged downstream of the blower.

Alternativ oder zusätzlich kann bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem vorgesehen sein, dass das Strömungselement ein ansteuerbares Drosselelement im Abgasabfuhrabschnitt umfasst, wobei das Drosselelement insbesondere stromabwärts des Gebläses angeordnet ist. Hierbei ist also mit Vorteil vorgesehen, dass das Gebläse im Abgasfuhrabschnitt angeordnet ist. Auch in dieser Ausgestaltungsform stellt ein ansteuerbares Drosselelement eine mechanisch besonders einfache Möglichkeit dar, um ein Strömungselement zu realisieren. Ferner können bevorzugt auch geeignete ansteuerbare Drosselelemente als Strömungselement im Sinne der Erfindung verwendet werden, die bereits im Abgasabfuhrabschnitt vorhanden sind. Durch die Möglichkeit der Ansteuerung kann der Strömungswiderstand im Strömungspfad, in dieser Ausgestaltungsform insbesondere im Abgasabfuhrabschnitt, gezielt und insbesondere reversibel eingestellt werden. Eine besonders bedarfsgerechte und -angepasste Einstellung des Strömungswiderstands des gesamten Strömungspfades kann auch auf diese Weise bereitgestellt werden. Auch wenn das Gebläse im Kathodenzuführabschnitt angeordnet ist, kann mit Vorteil ein ansteuerbares Drosselelement im Abgasfuhrabschnitt vorgesehen sein.Alternatively or additionally, it may be provided in a fuel cell system according to the invention that the flow element comprises a controllable throttle element in Abgasabfuhrabschnitt, wherein the throttle element is arranged in particular downstream of the blower. In this case, it is thus advantageously provided that the fan is arranged in the exhaust gas section. Also in this embodiment, a controllable throttle element is a mechanically particularly simple way to realize a flow element. Furthermore, suitable controllable throttle elements may also be used as the flow element in the sense of the invention which are already present in the exhaust gas removal section. By the possibility of driving the flow resistance in the flow path, in this embodiment, in particular in Abgasabfuhrabschnitt be targeted and in particular reversible. A particularly needs-based and adapted adjustment of the flow resistance the entire flow path can also be provided in this way. Even if the fan is arranged in the cathode supply section, a controllable throttle element may advantageously be provided in the exhaust gas section.

Alternativ oder zusätzlich kann ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem dahingehend ausgebildet sein, dass das Strömungselement ein ansteuerbares Drosselelement im Abgasabfuhrabschnitt umfasst, wobei das Drosselelement insbesondere stromaufwärts des Abgassauggebläses angeordnet ist. Dabei ist das Gebläse insbesondere als Abgasgebläse ausgebildet und im Abgasfuhrabschnitt angeordnet. Diese Ausgestaltungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems stellt eine weitere alternative oder zusätzliche Möglichkeit dar, um das erfindungsgemäße Strömungselement im Strömungspfad zu platzieren. Sämtliche Vorteile, die in Bezug auf das Strömungselement an anderen Orten im Strömungspfad beschrieben worden sind, können auch in dieser Ausgestaltungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems bereitgestellt werden.Alternatively or additionally, a fuel cell system according to the invention may be designed such that the flow element comprises a controllable throttle element in the exhaust gas removal section, wherein the throttle element is arranged in particular upstream of the exhaust gas suction fan. In this case, the blower is designed in particular as an exhaust fan and arranged in the Abgasfuhrabschnitt. This embodiment of a fuel cell system according to the invention represents a further alternative or additional possibility to place the flow element according to the invention in the flow path. All the advantages described with respect to the flow element at other locations in the flow path can also be provided in this embodiment of a fuel cell system according to the invention.

Zusammenfassend können ein oder mehrere Strömungselemente im Strömungspfad, umfassend insbesondere den Kathodenzufuhrabschnitt und den Abgasabfuhrabschnitt, angeordnet werden. Auf diese Weise kann insbesondere eine besonders bedarfsgerechte und -angepasste Platzierung des Strömungselements und dadurch auch eine besonders bedarfsgerechte und -angepasste Beeinflussung des Strömungswiderstands bereitgestellt werden.In summary, one or more flow elements can be arranged in the flow path, in particular the cathode feed section and the exhaust gas discharge section. In this way, it is possible in particular to provide a particularly needs-based and adapted placement of the flow element and thereby also a particularly need-based and adapted influencing of the flow resistance.

Ferner kann bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem vorgesehen sein, dass der Abgasabfuhrabschnitt mit einem Wärmetauscherelement im Kathodenzuführabschnitt zur Abgabe von Wärmeenergie an das Kathodenzuführgas verbunden ist. Das Brennstoffzellenabgas, das bei dem zumindest teilweisen Verbrennen des Kathodenabgases mit dem Anodenabgas im Abgasbrenner entsteht, weist zumeist eine hohe Temperatur auf. Durch ein Wärmetauscherelement kann die somit im Brennstoffzellenabgas gespeicherte Wärmeenergie zumindest teilweise an das Kathodengas transferiert werden. Heizelemente zum Aufheizen des Kathodengases können auf diese Weise entfallen oder zumindest kleiner dimensioniert werden. Insgesamt kann somit auf diese Weise eine Energieeffizienz eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems gesteigert werden.Furthermore, it can be provided in a fuel cell system according to the invention that the Abgasabfuhrabschnitt is connected to a heat exchanger element in the Kathodenzuführabschnitt for delivering heat energy to the Kathodenzuführgas. The fuel cell exhaust gas, which is formed during the at least partial burning of the cathode exhaust gas with the anode exhaust gas in the exhaust gas burner, usually has a high temperature. By a heat exchanger element, the heat energy thus stored in the fuel cell exhaust gas can be at least partially transferred to the cathode gas. Heating elements for heating the cathode gas can be dispensed with in this way or at least made smaller. Overall, an energy efficiency of a fuel cell system according to the invention can thus be increased in this way.

Darüber hinaus kann alternativ oder zusätzlich ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem ferner derart ausgebildet sein, dass der Abgasabfuhrabschnitt mit einem Reformer im Anodenzuführabschnitt zur Bereitstellung von Wärmeenergie verbunden ist. In einem derartigen Reformer kann, wie oben bereits beschrieben, das Anodengas aufbereitet werden, beispielsweise durch eine Reformierung von Erdgas, insbesondere des im Erdgas enthaltenen Methans, unter Beifügung von Wasser und Wärme derart, dass ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch als Anodengas entsteht. Durch eine Verbindung des Abgasabfuhrabschnitts mit dem Reformer im Anodenzuführabschnitt kann die zur Aufbereitung notwendige Wärmeenergie zumindest teilweise durch das heiße Brennstoffzellenabgas bereitgestellt werden. Heizelemente zum Aufheizen des Reformers können auf diese Weise entfallen oder zumindest kleiner dimensioniert werden. Insgesamt kann somit auch auf diese Weise eine Energieeffizienz eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems gesteigert werden.In addition, alternatively or additionally, a fuel cell system according to the invention may further be designed such that the Abgasabfuhrabschnitt is connected to a reformer in the Anodeenzuführabschnitt for the provision of heat energy. In such a reformer, as already described above, the anode gas can be treated, for example by reforming natural gas, in particular the methane contained in natural gas, with the addition of water and heat such that a hydrogen-containing gas mixture is produced as anode gas. By connecting the Abgasabfuhrabschnitts with the reformer in Anodenzuführabschnitt necessary for conditioning heat energy can be provided at least partially by the hot fuel cell exhaust gas. Heating elements for heating the reformer can be omitted in this way, or at least made smaller. Overall, an energy efficiency of a fuel cell system according to the invention can thus also be increased in this way.

Ferner kann bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem vorgesehen sein, dass das Brennstoffzellensystem ein elektrisches Verbindungselement zum direkten und/oder indirekten Versorgen des Gebläses mit elektrischer Energie des Brennstoffzellenstapels aufweist. Auf diese Weise kann, insbesondere durch das elektrische Verbindungselement, besonders einfach ein Bereitstellen der durch das Gebläse benötigten elektrischen Energie durch das Brennstoffzellensystem selbst sichergestellt werden. Ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem erzeugt zumeist elektrische Energie in Form von Gleichstrom. Bei einem Gebläse, das ebenfalls elektrische Energie in Form von Gleichstrom benötigt, kann somit erfindungsgemäß durch das elektrische Verbindungselement bevorzugt direkt die benötigte elektrische Energie an das Gebläse geleitet werden. Bei einem alternativen Gebläse, das elektrische Energie in Form von Wechselstrom benötigt, kann es vorteilhaft sein, durch das elektrische Verbindungselement die elektrische Energie nach einem Gleichstrom-Wechselstrom-Konverter zu entnehmen, wie er beispielsweise bei einem Anschluss an ein nachgeschaltetes Verbrauchernetz zumeist vorhanden ist. Insbesondere kann somit durch ein entsprechend ausgebildetes elektrisches Verbindungselement für alle möglichen Kombinationen aus durch das Brennstoffzellensystem bereitgestellter elektrischer Energieform und der durch das Gebläse benötigten elektrischen Energieform eine sichere Bereitstellung der durch das Gebläse benötigten elektrischen Energie durch das Brennstoffzellensystem selbst ermöglicht werden.Furthermore, it can be provided in a fuel cell system according to the invention that the fuel cell system has an electrical connection element for direct and / or indirect supply of the fan with electrical energy of the fuel cell stack. In this way, in particular by the electrical connection element, it is particularly easy to ensure the provision of the electrical energy required by the fan through the fuel cell system itself. An inventive fuel cell system usually generates electrical energy in the form of direct current. In the case of a fan which likewise requires electrical energy in the form of direct current, the required electrical energy can thus be conducted directly to the fan by means of the electrical connection element according to the invention. In an alternative fan, which requires electrical energy in the form of alternating current, it may be advantageous to remove the electrical energy by the electrical connecting element for a DC-AC converter, as it is usually present for example when connected to a downstream consumer network. In particular, a reliable provision of the electrical energy required by the blower through the fuel cell system itself can thus be made possible by a suitably designed electrical connection element for all possible combinations of provided by the fuel cell system electrical energy form and the electric energy required by the blower.

Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch ein stationäres Kraftwerk zur Erzeugung elektrischer Energie, aufweisend ein Brennstoffzellensystem gelöst. Ein erfindungsgemäßes stationäres Kraftwerk ist dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung ausgebildet ist. Sämtliche Vorteile, dies ausführlich in Bezug auf ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung beschrieben worden sind, können somit auch durch ein stationäres Kraftwerk gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung bereitgestellt werden, dessen Brennstoffzellensystem gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung ausgebildet ist.According to a second aspect of the invention, the object is achieved by a stationary power plant for generating electrical energy, comprising a fuel cell system. A stationary power plant according to the invention is characterized in that the fuel cell system according to the first aspect of the invention is formed. All the advantages have been described in detail with respect to a fuel cell system according to the invention according to the first aspect of the invention can thus be provided by a stationary power plant according to the second aspect of the invention, the fuel cell system is formed according to the first aspect of the invention.

Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung oder eines stationären Kraftwerks mit einem Brennstoffzellensystem gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung, wobei das Brennstoffzellensystem elektrische Energie für ein nachgeschaltetes elektrisches Verbrauchernetz erzeugt. Ein erfindungsgemäßes Verfahren ist durch folgende Schritte gekennzeichnet:

  1. a) Erkennen eines Lastabfalls im nachgeschalteten Verbrauchernetz,
  2. b) Erhöhen eines Strömungswiderstands durch das Strömungselement,
  3. c) Erhöhen einer Pumpleistung des Gebläses zur zumindest teilweisen Kompensation des in Schritt b) erhöhten Strömungswiderstands durch wenigstens teilweises Zuleiten von durch das Brennstoffzellensystem erzeugter elektrischer Energie, welche durch den in Schritt a) erkannten Lastabfall frei wird.
According to a third aspect of the invention, the object is achieved by a method for operating a fuel cell system according to the first aspect of the invention or a stationary power plant with a fuel cell system according to the second aspect of the invention, wherein the fuel cell system generates electrical energy for a downstream electrical consumer network. A method according to the invention is characterized by the following steps:
  1. a) detecting a load drop in the downstream consumer network,
  2. b) increasing a flow resistance through the flow element,
  3. c) increasing a pumping power of the blower for at least partial compensation of the increased flow resistance in step b) by at least partially supplying electrical energy generated by the fuel cell system, which is released by the load drop detected in step a).

Durch ein erfindungsgemäßes Verfahren wird ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung oder ein stationäres Kraftwerk gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung betrieben. Sämtliche Vorteile, dies ausführlich in Bezug auf ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung beziehungsweise in Bezug auf ein stationäres Kraftwerk gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung beschrieben worden sind, können somit auch durch ein Verfahren gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung bereitgestellt werden, das zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung oder eines stationären Kraftwerks gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung ausgebildet ist.An inventive method operates a fuel cell system according to the first aspect of the invention or a stationary power plant according to the second aspect of the invention. All the advantages, which have been described in detail in relation to a fuel cell system according to the invention according to the first aspect of the invention or in relation to a stationary power plant according to the second aspect of the invention, can thus also be provided by a method according to the third aspect of the invention, which for operating a fuel cell system according to the invention according to the first aspect of the invention or a stationary power plant according to the second aspect of the invention.

Durch ein erfindungsgemäßes Verfahren wird ein Brennstoffzellensystem beziehungsweise ein stationäres Kraftwerk mit einem Brennstoffzellensystem betrieben. Insbesondere wird durch das Brennstoffzellensystem, direkt oder als bevorzugt primärer Stromerzeuger im Kraftwerk, elektrische Energie für ein nachgeschaltetes elektrisches Verbrauchernetz sein. Ein derartiges Verbrauchernetz kann insbesondere bevorzugt als ein lokales, regionales und/oder überregionales Stromnetz ausgebildet sein.By a method according to the invention, a fuel cell system or a stationary power plant is operated with a fuel cell system. In particular, by the fuel cell system, directly or as a preferred primary power generator in the power plant, be electrical energy for a downstream electrical consumer network. Such a consumer network may be particularly preferably designed as a local, regional and / or supra-regional power grid.

Ein derartiges nachgeschaltetes elektrisches Verbrauchernetz kann mitunter großen Schwankungen im Bedarf an elektrischer Energie unterworfen sein, bis hin zu einem völligen Lastabwurf, bei dem plötzlich, insbesondere innerhalb weniger Minuten oder gar Sekunden, der Bedarf an elektrischer Energie völlig oder zumindest im Wesentlichen völlig auf null zurückgeht. Um auf derartige Schwankungen reagieren zu können wird im ersten Schritt a) eines erfindungsgemäßen Verfahrens ein Lastabfall im nachgeschalteten Verbrauchernetz erkannt. Ein Erkennen im Sinne der Erfindung umfasst insbesondere die dafür notwendigen Maßnahmen, beispielsweise ein bevorzugt wiederholtes Messen des angeforderten Bedarfs beziehungsweise eine Auswertung dieser Messungen. Mit anderen Worten steht nach Durchführung des Schritts a) eines erfindungsgemäßen Verfahrens die Information zur Verfügung, dass im nachgeschalteten Verbrauchernetz ein Lastabfall aufgetreten ist.Such a downstream electrical consumer network can sometimes be subject to large fluctuations in the demand for electrical energy, up to a complete load shedding, in which suddenly, in particular within a few minutes or even seconds, the demand for electrical energy is completely or at least substantially entirely zero , In order to be able to react to such fluctuations, a load drop in the downstream consumer network is detected in the first step a) of a method according to the invention. Detection in the sense of the invention comprises in particular the measures necessary for this, for example a preferably repeated measurement of the required requirement or an evaluation of these measurements. In other words, after performing step a) of a method according to the invention, the information is available that a load drop has occurred in the downstream consumer network.

In den nächsten beiden Schritten b) und c) eines erfindungsgemäßen Verfahrens werden Maßnahmen ergriffen, um diesen Lastabfall zumindest teilweise zu kompensieren und gleichzeitig das Brennstoffzellensystem, insbesondere den Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystems, möglichst unverändert weiter zu betreiben. Dafür wird im nächsten Schritt b) eines erfindungsgemäßen Verfahrens ein Strömungswiderstand durch das Strömungselement des Brennstoffzellensystems erhöht. Ein derartig erhöhter Strömungswiderstand würde zu einer verminderten Zufuhr von Kathodengas zum Kathodenabschnitt des Brennstoffzellenstapels führen. Um dies zumindest teilweise zu kompensieren wird, zeitlich nachgeschaltet oder bevorzugt gleichzeitig, im Schritt c) eines erfindungsgemäßen Verfahrens eine Pumpleistung des Gebläses des Brennstoffzellensystems erhöht. Auf diese Weise kann die Versorgung des Brennstoffzellenstapels mit Kathodengas zumindest ansatzweise, insbesondere ausreichend, konstant gehalten werden. Dieses Erhöhen der Pumpleistung geht automatisch mit einem gesteigerten Bedarf des Gebläses an elektrischer Energie einher. Um diesen vermehrten Energiebedarf des Gebläses zu bedienen, wird dafür erfindungswesentlich wenigstens ein Teil der durch das Brennstoffzellensystem erzeugten elektrischen Energie, welche durch den in Schritt a) erkannten Lastabfall frei wird, verwendet.In the next two steps b) and c) of a method according to the invention measures are taken to compensate for this load drop at least partially and at the same time continue to operate the fuel cell system, in particular the fuel cell stack of the fuel cell system unchanged. For this, in the next step b) of a method according to the invention, a flow resistance through the flow element of the fuel cell system is increased. Such an increased flow resistance would lead to a reduced supply of cathode gas to the cathode portion of the fuel cell stack. In order to compensate for this at least partially, in time or preferably at the same time, in step c) of a method according to the invention, a pumping power of the blower of the fuel cell system is increased. In this way, the supply of the fuel cell stack with cathode gas at least rudimentary, in particular sufficient, are kept constant. This increase in pump power is automatically accompanied by an increased demand for the fan of electrical energy. In order to serve this increased energy requirement of the blower, at least part of the electrical energy generated by the fuel cell system, which is released by the load drop detected in step a), is used for this purpose.

Auf diese Weise ergeben sich mehrere Vorteile eines erfindungsgemäßen Verfahrens. So kann durch die zumindest teilweise Kompensation des erhöhten Strömungswiderstands im Strömungspfad durch die gleichzeitige Erhöhung der Pumpleistung des Gebläses der Betrieb des Brennstoffzellensystems hinsichtlich Versorgung mit Kathodengas zumindest im Wesentlichen ohne Veränderung weitergeführt werden. Zugleich wird die durch den Brennstoffzellenstapel erzeugte elektrische Energie durch den vermehrten Bedarf des Gebläses zumindest teilweise intern im Brennstoffzellensystem verbraucht, so dass auch der verminderte Bedarf an elektrischer Energie im nachgeschalteten Verbrauchernetz zumindest teilweise kompensiert werden kann. Dies kann durch den Einsatz des Gebläses als Verbraucher der freiwerdenden elektrischen Energie insbesondere besonders schnell und mit keiner oder nur geringer zeitlicher Verzögerung zum in Schritt a) festgestellten Lastabfall bereitgestellt werden. Mit anderen Worten kann das Brennstoffzellensystem, insbesondere der Brennstoffzellenstapel, mit einer zumindest im Wesentlichen konstanten Erzeugungsrate an elektrischer Energie betrieben werden, unabhängig von einem Bedarf an elektrischer Energie im nachgeschalteten Verbrauchernetz.In this way, there are several advantages of a method according to the invention. Thus, by the at least partial compensation of the increased flow resistance in the flow path by the simultaneous increase in the pump power of the fan, the operation of the fuel cell system with regard to supply with cathode gas at least substantially continued without change. At the same time, the electrical energy generated by the fuel cell stack is at least partially consumed internally in the fuel cell system due to the increased demand of the blower. so that the reduced demand for electrical energy in the downstream consumer network can be at least partially compensated. This can be provided particularly fast by the use of the blower as a consumer of the released electrical energy and with no or only a slight time delay to the detected in step a) load drop. In other words, the fuel cell system, in particular the fuel cell stack, can be operated with an at least substantially constant generation rate of electrical energy, independently of a need for electrical energy in the downstream consumer network.

Ferner kann bei einem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen sein, dass in Schritt c) zum Erhöhen der Pumpleistung die gesamte oder zumindest im Wesentlichen die gesamte durch den in Schritt a) erkannten Lastabfall freiwerdende elektrischer Energie dem Gebläse zugeführt wird. Eine vollständige oder zumindest im Wesentlichen vollständige Kompensation des in Schritt a) festgestellten Lastabfalls durch den erhöhten Verbrauch an elektrischer Energie durch das Gebläse kann auf diese Weise bereitgestellt werden.Furthermore, it can be provided in a method according to the invention that in step c) to increase the pump power, the entire or at least substantially all of the electrical energy released by the load drop detected in step a) is supplied to the fan. A complete or at least substantially complete compensation of the load drop detected in step a) by the increased consumption of electrical energy by the blower can be provided in this way.

Alternativ oder zusätzlich kann ein erfindungsgemäße Verfahren ferner dahingehend ausgebildet sein, dass in Schritt c) durch die Erhöhung der Pumpleistung des Gebläses der in Schritt b) erhöhte Strömungswiderstand vollständig oder zumindest im Wesentlichen vollständig kompensiert wird. Mit anderen Worten ändert sich der Volumenstrom an Kathodengas im Kathodenzuführabschnitt beziehungsweise an Brennstoffzellenabgas im Abgasabführabschnitt nicht oder zumindest nicht wesentlich, auch wenn der Strömungswiderstand in Schritt b) durch das Strömungselement erhöht worden ist. Ein Betrieb des Brennstoffzellensystems hinsichtlich Versorgung mit Kathodengas kann auf diese Weise ohne Veränderung oder zumindest im Wesentlichen ohne Veränderung weitergeführt werden.Alternatively or additionally, a method according to the invention may also be designed such that in step c) the increased flow resistance in step b) is completely or at least substantially completely compensated by increasing the pumping capacity of the blower. In other words, even if the flow resistance in step b) has been increased by the flow element, the volume flow of cathode gas in the cathode supply section or fuel cell exhaust gas in the exhaust gas discharge section does not change or at least does not change significantly. An operation of the fuel cell system with respect to supply of cathode gas can be continued in this way without change or at least substantially without change.

Besonders bevorzugt kann bei einem erfindungsgemäßen Verfahren ferner vorgesehen sein, dass Schritt a) eine kontinuierliche oder zumindest im Wesentlichen kontinuierliche Überwachung des nachgeschalteten Verbrauchernetzes umfasst. Auf diese Weise können Schwankungen des Bedarfs an elektrischer Energie im Verbrauchernetz, insbesondere Lastabfälle bis hin zu einem vollständigen Lastabwurf, besonders schnell und zeitnah festgestellt werden. Eine Kompensation der freiwerdenden elektrischen Energie durch einen Verbrauch im Gebläse kann somit ebenfalls besonders schnell und zeitnah eingeleitet werden.In a particularly preferred embodiment of the method according to the invention, step a) comprises a continuous or at least substantially continuous monitoring of the downstream consumer network. In this way, fluctuations in the demand for electrical energy in the consumer network, in particular load drops up to a complete load shedding, can be detected particularly quickly and promptly. A compensation of the released electrical energy by a consumption in the fan can thus also be introduced very quickly and in a timely manner.

Auch kann ein erfindungsgemäßes Verfahren dahingehend ausgebildet sein, dass in Schritt c) die freiwerdende elektrische Energie direkt vom Brennstoffzellenstapel dem Gebläse als Gleichstrom zugeleitet wird. Ein direktes Zuleiten der elektrischen Energie im Sinne der Erfindung umfasst insbesondere ein Zuleiten als Gleichstrom, ohne dass eine Umwandlung in Wechselstrom vorgenommen wird. Bevorzugt kann dafür ein entsprechend ausgebildetes Verbindungselement eingesetzt werden. Insbesondere bei einem Gebläse, dass elektrische Energie in Form von Gleichstrom benötigt, ist diese Ausgestaltungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens vorteilhaft, da dadurch ein besonders einfaches Zuleiten der elektrischen Energie an das Gebläse bereitgestellt werden kann.Also, a method according to the invention can be designed such that in step c) the released electrical energy is fed directly from the fuel cell stack to the blower as direct current. A direct supply of electrical energy in the sense of the invention comprises, in particular, a supply of direct current, without conversion to alternating current being carried out. Preferably, a suitably designed connecting element can be used for this purpose. In particular, in a blower that requires electrical energy in the form of direct current, this embodiment of a method according to the invention is advantageous, as a particularly simple supply of electrical energy to the fan can be provided.

Alternativ oder zusätzlich kann bei einem erfindungsgemäßen Verfahren ferner vorgesehen sein, dass in Schritt c) die freiwerdende elektrische Energie des Brennstoffzellenstapels in Wechselstrom konvertiert wird und anschließend dem Gebläse zugeleitet wird. Dies stellt im Sinne der Erfindung ein indirektes Zuleiten der elektrischen Energie an das Gebläse dar. Auch hierbei kann ein entsprechend ausgebildetes Verbindungselement eingesetzt werden. Insbesondere bei einem Gebläse, dass elektrische Energie in Form von Wechselstrom benötigt, ist diese Ausgestaltungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens vorteilhaft, da dadurch ein besonders einfaches Zuleiten der elektrischen Energie an das Gebläse bereitgestellt werden kann. Insbesondere kann die elektrische Energie auch dem nachgeschalteten Verbrauchernetz entnommen werden.Alternatively or additionally, it can further be provided in a method according to the invention that in step c) the released electrical energy of the fuel cell stack is converted into alternating current and then fed to the blower. This constitutes, within the meaning of the invention, an indirect delivery of the electrical energy to the fan. Here, too, a correspondingly designed connecting element can be used. In particular, in a blower that requires electrical energy in the form of alternating current, this embodiment of a method according to the invention is advantageous because a particularly simple supply of electrical energy to the fan can be provided. In particular, the electrical energy can also be taken from the downstream consumer network.

Besonders bevorzugt kann ein erfindungsgemäßes Verfahren dahingehend weiterentwickelt sein, dass eine durch die erhöhte Pumpleistung erzeugte vermehrte Abwärme des Gebläses zumindest teilweise einem Wärmeverbraucher und/oder einem Wärmespeicher zugeführt wird. Eine erhöhte Pumpleistung im Gebläse geht zumeist auch mit einer vermehrten Verlustleistung im Gebläse einher. Dies führt oftmals zu einer Steigerung der durch das Gebläse erzeugten Abwärme. Durch ein Zuführen dieser Abwärme zu einem Wärmeverbraucher, beispielsweise als mögliche Wärmequelle zum Aufheizen des Brennstoffzellenstapels, und/oder zu einem Wärmespeicher, beispielsweise für eine spätere Nutzung der Wärmeenergie, kann eine Verwendung dieser Abwärme bereitgestellt werden. Eine Energieeffizienz beim Betreiben eines Brennstoffzellensystems kann auf diese Weise gesteigert werden.Particularly preferably, a method according to the invention can be further developed such that an increased waste heat of the blower generated by the increased pumping power is at least partially supplied to a heat consumer and / or a heat store. An increased pumping power in the blower is usually accompanied by an increased power loss in the blower. This often leads to an increase in the heat generated by the blower. By supplying this waste heat to a heat consumer, for example as a possible heat source for heating the fuel cell stack, and / or to a heat storage, for example for a later use of heat energy, a use of this waste heat can be provided. An energy efficiency in operating a fuel cell system can be increased in this way.

Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zu verschiedenen Ausführungsbeispielen der Erfindung, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind. Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den 1 bis 4 jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.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. Elements with the same function and mode of action are in the 1 to 4 each provided with the same reference numerals.

Es zeigen jeweils schematisch:

  • 1 eine Ansicht eines erfindungsgemäßen Kraftwerks;
  • 2 eine erste Ausgestaltungsform eines Verbindungselement;
  • 3 eine zweite Ausgestaltungsform eines Verbindungselement;
  • 4 ein erfindungsgemäßes Verfahren;
  • 5 eine Ansicht eines weiteren erfindungsgemäßen Kraftwerks.
Each show schematically:
  • 1 a view of a power plant according to the invention;
  • 2 a first embodiment of a connecting element;
  • 3 a second embodiment of a connecting element;
  • 4 a method according to the invention;
  • 5 a view of another power plant according to the invention.

In 1 ist schematisch ein erfindungsgemäßes Kraftwerk 100 beziehungsweise ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem 1 dargestellt. Durch ein derartiges Kraftwerk 100 beziehungsweise Brennstoffzellensystem 1 kann ein erfindungsgemäßes Verfahren, das beispielhaft in 4 gezeigt ist, ausgeführt werden. Die einzelnen Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens a), b) und c) sind in 4 jeweils mit Großbuchstaben gekennzeichnet. Die beiden Figuren werden daher im Folgenden gemeinsam beschrieben, wobei auf die einzelnen Figuren gesondert eingegangen wird.In 1 schematically is a power plant according to the invention 100 or a fuel cell system according to the invention 1 shown. Through such a power plant 100 or fuel cell system 1 may be a method according to the invention, which is exemplified in 4 is shown to be executed. The individual steps of the process a), b) and c) according to the invention are described in 4 each marked with capital letters. The two figures are therefore described below together, with the individual figures will be discussed separately.

Ein erfindungsgemäßes stationäres Kraftwerk 100 weist als zentrales Element ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem 1 auf. Das Brennstoffzellensystem 1 erzeugt elektrische Energie, dass einem nachgeschalteten Verbrauchernetzwerk 101 (nicht mit abgebildet) eingespeist wird. 1 zeigt die wesentlichen Bauteile eines derartigen Brennstoffzellensystems 1. In einem Brennstoffzellenstapel 10 wird die Erzeugung von elektrischer Energie vorgenommen. Dafür weist der Brennstoffzellenstapel 10 einen Anodenabschnitt 11 und einen Kathodenabschnitt 12 auf. Der Kathodenabschnitt 12 wird über einen Kathodenzuführabschnitt 20 mit Kathodengas 30, bevorzugt einem sauerstoffhaltigen Gas wie beispielsweise Luft, versorgt. Analog wird dem Anodenabschnitt 11 durch einen Anodenzuführabschnitt 21 ein Anodengas 31, bevorzugt ein wasserstoffhaltiges Gas, zugeführt. Für eine Reinigung des Anodengases 31 von Schwefelbestandteilen ist im Anodenzuführabschnitt 21 ein Entschwefelungselement 43 angeordnet. Eine Anodengasfördereinheit 45, beispielsweise ein Gebläse, stellt eine Förderung des Anodengases 31 sicher. Das Anodengas 31 kann auch, wie dargestellt, in einem Reformer 42 aufbereitet werden, in dem beispielsweise Erdgas, insbesondere Methan, zusammen mit Wasser und unter Wärmezufuhr in ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch aufgespalten wird. Im Brennstoffzellenstapel 10 sind der Kathodenabschnitt 12 und der Anodenabschnitt 11 durch einen Elektrolyten getrennt, der zumeist für Sauerstoffionen durchgängig ist. In der stromerzeugenden Reaktion im Brennstoffzellenstapel 10 diffundieren Sauerstoffionen vom Kathodenabschnitt 12 durch den Elektrolyten zum Anodenabschnitt 11 und reagieren dort mit dem Anodengas 31. Nicht verbrauchtes Kathodengas 30 wird als Kathodenabgas 32 aus dem Kathodenabschnitt 12 durch einen Kathodenabgasabschnitt 22 abgeleitet, entsprechend werden nicht verbrauchtes Anodengas 31 sowie die entstandenen Reaktionsprodukte als Anodenabgas 33 aus dem Anodenabschnitt 11 durch einen Anodenabgasabschnitt 23 abgeleitet. Stromabwärts münden sowohl der Kathodenabgasabschnitt 22 als auch der Anodenabgasabschnitt 23 in einem Abgasbrenner 40. Ein Teil des Anodenabgases 33 wird ferner durch einen Anodenabgasrückführabschnitt 44 in den Anodenzuführabschnitt 21 eingeleitet. Dadurch kann insbesondere nicht verbrauchtes Anodengas 31 als Teil des Anodenabgases 33 wiederverwendet werden. Da das Anodenabgas 33 durch die Reaktionen im Anodenabschnitt 11 aufgeheizt ist, ist im Anodenabführabschnitt 21 ein Wärmetauscherelement 41 angeordnet, um im Anodenzuführabschnitt 21 geleitetes Anodengas 31 vor Eintritt in den Anodenabschnitt 11 zu erwärmen beziehungsweise aufzuheizen. Die Reaktionen im Brennstoffzellenstapel 10 können auf diese Weise unterstützt werden. Im Abgasbrenner 40 wird zumindest teilweise das Kathodenabgas 32 zusammen mit dem Anodenabgas 33 verbrannt. Dies kann beispielsweise eine weitere Reinigung des gesamten Abgases des Brennstoffzellensystems 1, aber zum Beispiel auch eine zusätzliche thermische Verwertung des Kathodenabgases 32 und des Anodenabgases 33 zur Steigerung der totalen Energieeffizienz bereitstellen. Anschließend an den Abgasbrenner 40 wird das im Abgasbrenner 40 erzeugte Brennstoffzellenabgas 34 in einem Abgasabfuhrabschnitt 24 abgeführt. Um die Wärmeenergie des Brennstoffzellenabgases 34 weiter zu nutzen, ist im Abgasabfuhrabschnitt 24 sowohl ein Wärmetauscherelement 41 des Kathodenzuführabschnitts 20 angeordnet, als auch der Abgasabfuhrabschnitt 24 mit dem Reformer 42 verbunden. Auf diese Weise kann sowohl das Kathodengas 30 aufgeheizt, als auch dem Reformer 42 Wärmeenergie zugeführt werden. Insgesamt sind, neben weiteren, nicht dargestellten Bauelementen eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 1, insbesondere der Brennstoffzellenstapel 10, der Abgasbrenner 40 und der Reformer 42 in einer Heißzelle 5 angeordnet. Die für einen effizienten Betrieb des Brennstoffzellensystem 1 nötigen hohen Temperaturen, oftmals mehrere hundert Grad Celsius, sind besonders einfach bereitstellbar. Weitere mögliche Elemente eines Brennstoffzellensystems 1, beispielsweise eine Wasserver- und entsorgung, direkte Versorgungsleitungen zum Bereitstellen von Kathodengas 30 und Anodengas 31 für ein Starten des Abgasbrenners 40 sind zur Steigerung der Übersichtlichkeit nicht mit dargestellt.An inventive stationary power plant 100 has as a central element of an inventive fuel cell system 1 on. The fuel cell system 1 generates electrical energy that a downstream consumer network 101 (not shown) is fed. 1 shows the essential components of such a fuel cell system 1 , In a fuel cell stack 10 the generation of electrical energy is made. This is indicated by the fuel cell stack 10 an anode section 11 and a cathode portion 12 on. The cathode section 12 is via a Kathodenzuführabschnitt 20 with cathode gas 30 , preferably an oxygen-containing gas such as air supplied. Analogously, the anode section 11 through an anode feed section 21 an anode gas 31 , preferably a hydrogen-containing gas supplied. For a purification of the anode gas 31 of sulfur components is in the anode feed section 21 a desulphurisation element 43 arranged. An anode gas delivery unit 45 , For example, a fan, provides a promotion of the anode gas 31 for sure. The anode gas 31 can also, as shown, in a reformer 42 be processed, for example, in which natural gas, in particular methane, is split together with water and under heat in a hydrogen-containing gas mixture. In the fuel cell stack 10 are the cathode section 12 and the anode section 11 separated by an electrolyte, which is usually continuous for oxygen ions. In the electricity generating reaction in the fuel cell stack 10 oxygen ions diffuse from the cathode section 12 through the electrolyte to the anode section 11 and react there with the anode gas 31 , Unused cathode gas 30 is called cathode exhaust gas 32 from the cathode section 12 through a cathode exhaust section 22 derived, corresponding to unused anode gas 31 and the resulting reaction products as anode exhaust gas 33 from the anode section 11 through an anode exhaust section 23 derived. Downstream open both the cathode exhaust gas section 22 and the anode exhaust section 23 in an exhaust gas burner 40 , Part of the anode exhaust 33 is further controlled by an anode exhaust gas recirculation section 44 in the anode delivery section 21 initiated. As a result, in particular unused anode gas 31 as part of the anode exhaust gas 33 be reused. Because the anode exhaust 33 by the reactions in the anode section 11 is heated, is in the anode removal section 21 a heat exchanger element 41 arranged to be in the anode feed section 21 passed anode gas 31 before entering the anode section 11 to heat or heat up. The reactions in the fuel cell stack 10 can be supported in this way. In the exhaust gas burner 40 becomes at least partially the cathode exhaust gas 32 together with the anode exhaust gas 33 burned. This can for example be a further purification of the entire exhaust gas of the fuel cell system 1 but also, for example, an additional thermal utilization of the cathode exhaust gas 32 and the anode exhaust gas 33 to increase total energy efficiency. Then to the exhaust gas burner 40 This will be in the exhaust gas burner 40 generated fuel cell exhaust 34 in a Abgasabfuhrabschnitt 24 dissipated. To the heat energy of the fuel cell exhaust gas 34 continue to use, is in the Abgasabfuhrabschnitt 24 both a heat exchanger element 41 of the cathode feed section 20 arranged, as well as the Abgasabfuhrabschnitt 24 with the reformer 42 connected. In this way, both the cathode gas 30 heated up, as well as the reformer 42 Heat energy to be supplied. Overall, in addition to other, not shown components of a fuel cell system according to the invention 1 , in particular the fuel cell stack 10 , the exhaust burner 40 and the reformer 42 in a hot cell 5 arranged. The for efficient operation of the fuel cell system 1 necessary high temperatures, often several hundred degrees Celsius, are particularly easy to deploy. Other possible elements of a fuel cell system 1 For example, a water supply and disposal, direct supply lines for providing cathode gas 30 and anode gas 31 for starting the exhaust gas burner 40 are not shown for clarity.

Erfindungsgemäß weist das dargestellt Brennstoffzellensystem 1 ein Gebläse 4 auf, das im Abgasabführabschnitt 24 angeordnet ist. Das Anordnen des Gebläses 4 im Abgasabfuhrabschnitt 24 bringt hierbei insbesondere den Vorteil mit sich, dass die Gase im Strömungspfad, insbesondere das Kathodengas 30 im Kathodenzuführabschnitt 20, das Kathodenabgas 32 im Kathodenabgasabschnitt 22 sowie das Brennstoffzellenabgas 34 im Abgasabfuhrabschnitt 24, durch den Strömungspfad gezogen beziehungsweise gesaugt werden. Besonders gute Strömungseigenschaften, insbesondere ein Vermeiden von Stauungen der strömenden Gase und der damit einhergehenden Druckspitzen, können auf diese Weise bereitgestellt werden. Ferner weist ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem 1 zumindest ein Strömungselement 2 auf, das in der Darstellung als ansteuerbares Drosselelement 3 ausgebildet und an drei möglichen Anordnungspositionen, im Kathodenzuführabschnitt 20 und im Abgasabführabschnitt 24 stromaufwärts sowie stromabwärts vom Gebläse 4 gezeigt ist. In anderen Ausgestaltungsformen können auch nur ein oder zwei Strömungselemente 2 an jeweils einer dieser Anordnungspositionen vorgesehen sein.According to the invention, the illustrated fuel cell system 1 a fan 4 on, in the Abgasabführabschnitt 24 is arranged. The Arranging the fan 4 in the Abgasabfuhrabschnitt 24 brings here in particular the advantage that the gases in the flow path, in particular the cathode gas 30 in the cathode feed section 20 , the cathode exhaust 32 in the cathode exhaust section 22 and the fuel cell exhaust 34 in the Abgasabfuhrabschnitt 24 be pulled or sucked through the flow path. Particularly good flow properties, in particular avoiding congestion of the flowing gases and the associated pressure peaks, can be provided in this way. Furthermore, a fuel cell system according to the invention 1 at least one flow element 2 on, in the presentation as controllable throttle element 3 formed and at three possible arrangement positions, in Kathodenzuführabschnitt 20 and in the exhaust gas removal section 24 upstream and downstream of the blower 4 is shown. In other embodiments, only one or two flow elements may be used 2 be provided at each one of these arrangement positions.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren, wie es in 4 gezeigt ist, ist für ein Betreiben eines in 1 beispielhaft gezeigten Brennstoffzellensystems 1 vorgesehen. Insbesondere wird durch das Brennstoffzellensystem 1 elektrische Energie für ein nachgeschaltetes elektrisches Verbrauchernetz 101 erzeugt. In einem ersten Schritt a), in 4 mit A bezeichnet, wird dieses elektrische Verbrauchernetz 101 überwacht, um einen Leistungsabfall zu erkennen. Um dies möglichst schnell und zeitnah bereitstellen zu können, kann bevorzugt Schritt a) kontinuierlich oder zumindest im Wesentlichen kontinuierlich ausgeführt werden. Ein Leistungsabfall kann insbesondere deshalb problematisch sein, da der Betrieb des Brennstoffzellensystems 1, insbesondere hinsichtlich der von ihm erzeugten elektrischen Energie, im Wesentlichen keine schnellen Änderungen zulässt. Somit wird bei einem Lastabfall im nachgeschalteten elektrischen Verbrauchernetz 101 elektrische Energie frei. Um dies zu kompensieren, bevorzugt vollständig oder zumindest im Wesentlichen vollständig zu kompensieren, wird in Schritt b) eines erfindungsgemäßen Verfahrens, in 4 mit B bezeichnet, das Strömungselement 2 derart angesteuert, dass ein Strömungswiderstand im Strömungspfad erhöht wird. Anschließend oder bevorzugt sogar gleichzeitig wird in Schritt c) eines erfindungsgemäßen Verfahrens, in 4 mit C bezeichnet, ein Pumpleistung des Gebläses 4 erhöht, um den erhöhten Strömungswiderstand zumindest teilweise, bevorzugt vollständig oder zumindest im Wesentlich vollständig, zu kompensieren. Ein zumindest hinsichtlich einer Gasversorgung unveränderter Betrieb des Brennstoffzellensystems 1 kann dadurch bereitgestellt werden. Erfindungswesentlich wird die Erhöhung der Pumpleistung des Gebläses 4 dadurch erreicht, dass dem Gebläse 4 zumindest ein Teil der durch den Lastabfall im Verbrauchernetz 101 freigewordenen elektrischen Energie, die vom Brennstoffzellenstapel 10 erzeugt wird, zugeführt wird. Bevorzugt kann zum Erhöhen der Pumpleistung die gesamte oder zumindest im Wesentlichen die gesamte freigewordene elektrische Energie dem Gebläse 4 zugeführt werden. Zusätzlich kann auch eine durch die Erhöhung der Pumpleistung ebenfalls erhöhte Abwärme des Gebläses 4 genutzt werden, beispielsweise durch eine Zuführung dieser Abwärme an einen Wärmeverbraucher und/oder einen Wärmespeicher. Eine gesamte Energieeffizienz eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 1 beziehungsweise eines erfindungsgemäßen Kraftwerks 100 kann dadurch weiter gesteigert werden.An inventive method, as in 4 is shown is for operating an in 1 exemplified fuel cell system 1 intended. In particular, by the fuel cell system 1 electrical energy for a downstream electrical consumer network 101 generated. In a first step a), in 4 With A referred to, this electrical consumer network 101 monitored to detect a performance degradation. To be able to provide this as quickly and promptly as possible, step a) can preferably be carried out continuously or at least substantially continuously. A drop in performance may be particularly problematic because the operation of the fuel cell system 1 , in particular with regard to the electrical energy generated by it, essentially allows no rapid changes. Thus, at a load drop in the downstream electrical consumer network 101 electrical energy free. To compensate for this, preferably completely or at least substantially completely compensate, in step b) of a method according to the invention, in 4 With B denotes the flow element 2 controlled so that a flow resistance in the flow path is increased. Subsequently or preferably even simultaneously, in step c) of a method according to the invention, in 4 With C denotes a pumping power of the fan 4 increased in order to compensate for the increased flow resistance at least partially, preferably completely or at least substantially completely. An unchanged at least in terms of a gas supply operation of the fuel cell system 1 can be provided thereby. Essential to the invention is the increase in the pumping power of the blower 4 achieved by that the blower 4 at least part of this through the load drop in the consumer network 101 released electrical energy from the fuel cell stack 10 is generated, is supplied. Preferably, to increase the pumping power, all or at least substantially all of the released electrical energy is available to the fan 4 be supplied. In addition, also by the increase in the pump power also increased waste heat of the fan 4 be used, for example, by supplying this waste heat to a heat consumer and / or a heat storage. An overall energy efficiency of a fuel cell system according to the invention 1 or a power plant according to the invention 100 can be further increased.

Zusammenfassend kann bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem 1 beziehungsweise durch ein erfindungsgemäßes Verfahren somit besonders einfach, kostengünstig und insbesondere zeitlich schnell ein internes Verbrauchen der freiwerdenden elektrischen Energie, die bei einem Lastabfall im nachgeschalteten elektrischen Verbrauchernetz 101 auftritt, bereitgestellt werden. Dies kann insbesondere durch das Zusammenspiel des Strömungselements 2 und des Gebläses 4 des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 1 bereitgestellt werden.In summary, in a fuel cell system according to the invention 1 or by an inventive method thus particularly simple, inexpensive and in particular temporally fast internal consumption of the released electrical energy, the case of a load drop in the downstream electrical consumer network 101 occurs. This can in particular by the interaction of the flow element 2 and the blower 4 the fuel cell system according to the invention 1 to be provided.

Die 2 und 3 zeigen zwei Möglichkeiten, um dem Gebläse 4 elektrische Energie, die vom Brennstoffzellenstapel 10 eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 1 beziehungsweise eines erfindungsgemäßen Kraftwerks 100 erzeugt und die durch einen Lastabfall im nachgeschalteten elektrischen Verbrauchernetz 101 frei wird, zuzuleiten. Dafür wird jeweils ein entsprechend ausgebildetes elektrisches Verbindungselement 50 eingesetzt. In den Figuren sind nur die wesentlichen Komponenten dargestellt, insbesondere der Brennstoffzellenstapel 10 sowie das Gebläse 4. Ferner ist das nachgeschaltete elektrische Verbrauchernetz 101 gezeigt, in das über einen Wechselstromwandler 102 die vom Brennstoffzellenstapel 10 erzeugte elektrische Energie eingespeist wird. In 2 ist der Fall dargestellt, dass das Gebläse 4 elektrische Energie in Form von Gleichstrom benötigt. Da der Brennstoffzellenstapel 10 elektrische Energie bereits in Form von Gleichstrom erzeugt, kann durch das entsprechend ausgebildete elektrische Verbindungselement 50 diese elektrische Energie direkt dem Gebläse 4 zugeführt werden. Alternativ dazu kann, bevorzugt wenn das Gebläse 4 elektrische Energie in Form von Wechselstrom benötigt, das elektrische Verbindungselement 50 dem Wechselstromwandler 102 nachgeschaltet angeordnet sein, siehe 3. Dies kann noch intern im Brennstoffzellensystem 1, aber auch bereits als Teil des nachgeschalteten Verbrauchernetzes 101 realisiert sein. Insgesamt stellt dies eine indirekte Zuleitung der durch den Lastabfall freiwerdenden elektrischen Energie dar. The 2 and 3 show two ways to the blower 4 electrical energy coming from the fuel cell stack 10 a fuel cell system according to the invention 1 or a power plant according to the invention 100 generated and by a load drop in the downstream electrical consumer network 101 is free to feed. For each a correspondingly trained electrical connection element 50 used. In the figures, only the essential components are shown, in particular the fuel cell stack 10 as well as the blower 4 , Furthermore, the downstream electrical consumer network 101 shown in the via an ac transformer 102 those from the fuel cell stack 10 generated electrical energy is fed. In 2 the case is shown that the blower 4 electrical energy in the form of direct current needed. Because the fuel cell stack 10 electrical energy already generated in the form of direct current can, by the appropriately designed electrical connection element 50 this electrical energy directly to the blower 4 be supplied. Alternatively, it may be preferable if the blower 4 electrical energy in the form of alternating current needed, the electrical connection element 50 the AC converter 102 be arranged downstream, see 3 , This can still be internal to the fuel cell system 1 but also already as part of the downstream consumer network 101 be realized. Overall, this represents an indirect one Supply line of the released by the load loss electrical energy.

Insbesondere kann somit durch ein entsprechend ausgebildetes elektrisches Verbindungselement 50 für alle möglichen Kombinationen aus durch das Brennstoffzellensystem 1 bereitgestellter elektrischer Energieform und der durch das Gebläse 4 benötigten elektrischen Energieform eine sichere Bereitstellung der durch das Gebläse 4 benötigten elektrischen Energie durch das Brennstoffzellensystem 1 selbst ermöglicht werden.In particular, can thus by an appropriately trained electrical connection element 50 for all sorts of combinations through the fuel cell system 1 provided electrical energy form and by the blower 4 required electrical energy form a safe supply of the blower 4 required electrical energy through the fuel cell system 1 even be made possible.

In 5 ist schematisch ein weiteres erfindungsgemäßes Kraftwerk 100 beziehungsweise ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem 1 dargestellt. Die Elemente, welche jenen des in 1 gezeigten Kraftwerks 100 entsprechen und die selbe Funktion aufweisen, werden nicht nochmal beschrieben. Das heißt, all jene Elemente die nicht beschrieben werden, entsprechen jenen aus 1 bzw. 2. Im Unterschied zur Ausführungsform gemäß 1 ist das Gebläse 4 im Kathodenzuführabschnitt 20 angeordnet. Ferner weist auch dieses Brennstoffzellensystem 1 zumindest ein Strömungselement 2 auf, das in der Darstellung als ansteuerbares Drosselelement 3 ausgebildet und an einer möglichen Anordnungsposition, im Kathodenzuführabschnitt 20 stromaufwärts des Gebläses 4 angeordnet ist. Grundsätzlich kann das Drosselelement 3 auch im Abgasabführabschnitt 24 angeordnet sein. In anderen Ausgestaltungsformen können auch zwei Strömungselemente 2 im Kathodenzuführabschnitt 20 stromaufwärts und stromabwärts des Gebläses 4 oder ein Strömungselemente 2 stromabwärts des Gebläses 4 im Kathodenzuführabschnitt 20 angeordnet sein.In 5 is schematically another power plant according to the invention 100 or a fuel cell system according to the invention 1 shown. The elements corresponding to those of the 1 shown power plant 100 correspond and have the same function will not be described again. That is, all those elements that are not described correspond to those 1 respectively. 2 , In contrast to the embodiment according to 1 is the fan 4 in the cathode feed section 20 arranged. Furthermore, this fuel cell system also has 1 at least one flow element 2 on, in the presentation as controllable throttle element 3 formed and at a possible arrangement position, in Kathodenzuführabschnitt 20 upstream of the blower 4 is arranged. In principle, the throttle element 3 also in the exhaust gas removal section 24 be arranged. In other embodiments, two flow elements can also be used 2 in the cathode feed section 20 upstream and downstream of the blower 4 or a flow element 2 downstream of the blower 4 in the cathode feed section 20 be arranged.

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. Ie. the invention should not be considered limited to the embodiments explained with reference to the figures.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
BrennstoffzellensystemThe fuel cell system
22
Strömungselementflow element
33
Drosselelementthrottle element
44
Gebläsefan
55
Heißzellehot cell
1010
Brennstoffzellenstapelfuel cell stack
1111
Anodenabschnittanode section
1212
Kathodenabschnittcathode portion
2020
KathodenzuführabschnittKathodenzuführabschnitt
2121
AnodenzuführabschnittAnodenzuführabschnitt
2222
KathodenabgasabschnittCathode exhaust section
2323
AnodenabgasabschnittAnode exhaust section
2424
AbgasabfuhrabschnittExhaust gas discharge section
3030
Kathodengascathode gas
3131
Anodengasanode gas
3232
Kathodenabgascathode exhaust
3333
Anodenabgasanode exhaust gas
3434
Brennstoffzellenabgasfuel cell exhaust gas
4040
Abgasbrennerexhaust gas burner
4141
WärmetauscherelementHeat exchanger element
4242
Reformerreformer
4343
Entschwefelungselementdesulfurizing
4444
AnodenabgasrückfuhrabschnittAnode exhaust gas recirculation section
4545
AnodengasfördereinheitAnode gas feed unit
5050
Verbindungselementconnecting element
100100
Kraftwerkpower plant
101101
Verbrauchernetzconsumer network
102102
WechselstromwandlerAC converter

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102013207349 A1 [0004]DE 102013207349 A1 [0004]

Claims (16)

Brennstoffzellensystem (1), aufweisend zumindest einen Brennstoffzellenstapel (10) mit einem Anodenabschnitt (11) und einem Kathodenabschnitt (12), einen Kathodenzuführabschnitt (20) zum Zuführen von Kathodengas (30) zum Kathodenabschnitt (12), einen Anodenzuführabschnitt (21) zum Zuführen von Anodengas (31) zum Anodenabschnitt (11), einen Kathodenabgasabschnitt (22) zum Abführen von Kathodenabgas (32) vom Kathodenabschnitt (12), einen Anodenabgasabschnitt (23) zum Abführen von Anodenabgas (33) vom Anodenabschnitt (11), wobei der Kathodenabgasabschnitt (22) und der Anodenabgasabschnitt (23) in einen Abgasbrenner (40) zum zumindest teilweisen Verbrennen des Kathodenabgases (32) und des Anodenabgases (33) münden, sowie einen Abgasabfuhrabschnitt (24) zum Abführen von Brennstoffzellenabgas (34) vom Abgasbrenner (40), dadurch gekennzeichnet, dass der Kathodenzuführabschnitt (20) und/oder der Abgasabfuhrabschnitt (24) ein Strömungselement (2) zum Variieren eines Strömungswiderstands für das jeweils strömende Gas aufweist, und dass ein Gebläse (4) zum Fördern des Brennstoffzellenabgases (34) vorgesehen ist.A fuel cell system (1) comprising at least one fuel cell stack (10) having an anode portion (11) and a cathode portion (12), a cathode feed portion (20) for supplying cathode gas (30) to the cathode portion (12), an anode feed portion (21) for supplying anode gas (31) to the anode portion (11), a cathode exhaust portion (22) for discharging cathode exhaust gas (32) from the cathode portion (12), an anode exhaust portion (23) for discharging anode exhaust gas (33) from the anode portion (11), the cathode exhaust portion (22) and the anode exhaust gas portion (23) into an exhaust gas burner (40) for at least partially burning the cathode exhaust gas (32) and the anode exhaust gas (33) open, and an Abgasabfuhrabschnitt (24) for discharging fuel cell exhaust gas (34) from the exhaust gas burner (40) , characterized in that the cathode feed section (20) and / or the Abgasabfuhrabschnitt (24) has a flow element (2) for varying a flow resistance ands for the respective flowing gas, and that a fan (4) for conveying the fuel cell exhaust gas (34) is provided. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kathodenzuführabschnitt (20) und/oder der Abgasabfuhrabschnitt (24) das Gebläse (4) zum Fördern des Brennstoffzellenabgases (34) aufweist.Fuel cell system (1) after Claim 1 , characterized in that the Kathodenzuführabschnitt (20) and / or Abgasabfuhrabschnitt (24) comprises the blower (4) for conveying the fuel cell exhaust gas (34). Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungselement (2) zumindest ein ansteuerbares Drosselelement (3) im Kathodenzuführabschnitt (20) umfasst.Fuel cell system (1) after Claim 1 or 2 , characterized in that the flow element (2) comprises at least one controllable throttle element (3) in the Kathodenzuführabschnitt (20). Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungselement (2) ein ansteuerbares Drosselelement (3) im Abgasabfuhrabschnitt (24) umfasst, wobei das Drosselelement (3) insbesondere stromabwärts des Gebläses (4) angeordnet ist.Fuel cell system (1) according to one of Claims 1 to 3 , characterized in that the flow element (2) comprises a controllable throttle element (3) in Abgasabfuhrabschnitt (24), wherein the throttle element (3) in particular downstream of the blower (4) is arranged. Brennstoffzellensystem (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungselement (2) ein ansteuerbares Drosselelement (3) im Abgasabfuhrabschnitt (24) umfasst, wobei das Drosselelement (3) insbesondere stromaufwärts des Gebläses (4) angeordnet ist.Fuel cell system (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the flow element (2) comprises a controllable throttle element (3) in Abgasabfuhrabschnitt (24), wherein the throttle element (3) is arranged in particular upstream of the blower (4). Brennstoffzellensystem (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasabfuhrabschnitt (24) mit einem Wärmetauscherelement (41) im Kathodenzuführabschnitt (20) zur Abgabe von Wärmeenergie an das Kathodengas (30) verbunden ist.Fuel cell system (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the Abgasabfuhrabschnitt (24) with a heat exchanger element (41) in the Kathodenzuführabschnitt (20) for emitting heat energy to the cathode gas (30) is connected. Brennstoffzellensystem (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasabfuhrabschnitt (24) mit einem Reformer (42) im Anodenzuführabschnitt (21) zur Bereitstellung von Wärmeenergie verbunden ist.Fuel cell system (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the Abgasabfuhrabschnitt (24) is connected to a reformer (42) in the Anodeenzuführabschnitt (21) for providing heat energy. Brennstoffzellensystem (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem (1) ein elektrisches Verbindungselement (50) zum direkten und/oder indirekten Versorgen des Gebläses (4) mit elektrischer Energie des Brennstoffzellenstapels (10) aufweist.Fuel cell system (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the fuel cell system (1) has an electrical connection element (50) for direct and / or indirect supply of the fan (4) with electrical energy of the fuel cell stack (10). Stationäres Kraftwerk (100) zur Erzeugung elektrischer Energie, aufweisend ein Brennstoffzellensystem (1), dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche ausgebildet ist.Stationary power plant (100) for generating electrical energy, comprising a fuel cell system (1), characterized in that the fuel cell system (1) is designed according to one of the preceding claims. Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 oder eines stationären Kraftwerks (100) mit einem Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 7, wobei das Brennstoffzellensystem (1) elektrische Energie für ein nachgeschaltetes elektrisches Verbrauchernetz (101) erzeugt, gekennzeichnet durch folgende Schritte: a) Erkennen eines Lastabfalls im nachgeschalteten Verbrauchernetz (101), b) Erhöhen eines Strömungswiderstands durch das Strömungselement (2), c) Erhöhen einer Pumpleistung des Gebläses (4) zur zumindest teilweisen Kompensation des in Schritt b) erhöhten Strömungswiderstands durch wenigstens teilweises Zuleiten von durch das Brennstoffzellensystem (1) erzeugter elektrischer Energie, welche durch den in Schritt a) erkannten Lastabfall frei wird.Method for operating a fuel cell system (1) according to one of Claims 1 to 6 or a stationary power plant (100) with a fuel cell system (1) according to Claim 7 in which the fuel cell system (1) generates electrical energy for a downstream electrical consumer network (101), characterized by the following steps: a) detecting a load drop in the downstream consumer network (101), b) increasing a flow resistance through the flow element (2), c) Increasing a pumping power of the fan (4) for at least partially compensating the increased flow resistance in step b) by at least partially supplying electrical energy generated by the fuel cell system (1), which is released by the load drop detected in step a). Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt c) zum Erhöhen der Pumpleistung die gesamte oder zumindest im Wesentlichen die gesamte durch den in Schritt a) erkannten Lastabfall freiwerdende elektrischer Energie dem Gebläse (4) zugeführt wird.Method according to Claim 10 , characterized in that in step c) for increasing the pump power, the entire or at least substantially all of the electrical energy released by the load drop detected in step a) is supplied to the blower (4). Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt c) durch die Erhöhung der Pumpleistung des Gebläses (4) der in Schritt b) erhöhte Strömungswiderstand vollständig oder zumindest im Wesentlichen vollständig kompensiert wird.Method according to Claim 10 or 11 , characterized in that in step c) by increasing the pumping power of the blower (4) of the increased flow resistance in step b) is completely or at least substantially completely compensated. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt a) eine kontinuierliche oder zumindest im Wesentlichen kontinuierliche Überwachung des nachgeschalteten Verbrauchernetzes (101) umfasst. Method according to one of Claims 10 to 12 , characterized in that step a) comprises a continuous or at least substantially continuous monitoring of the downstream consumer network (101). Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt c) die freiwerdende elektrische Energie direkt vom Brennstoffzellenstapel (10) dem Gebläse (4) als Gleichstrom zugeleitet wird.Method according to one of Claims 10 to 13 , characterized in that in step c) the released electrical energy is supplied directly from the fuel cell stack (10) to the fan (4) as a direct current. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt c) die freiwerdende elektrische Energie des Brennstoffzellenstapels (10) in Wechselstrom konvertiert wird und anschließend dem Gebläse (4) zugeleitet wird.Method according to one of Claims 10 to 14 , characterized in that in step c) the released electrical energy of the fuel cell stack (10) is converted into alternating current and then the blower (4) is supplied. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine durch die erhöhte Pumpleistung erzeugte vermehrte Abwärme des Gebläses (4) zumindest teilweise einem Wärmeverbraucher und/oder einem Wärmespeicher zugeführt wird.Method according to one of Claims 10 to 15 , characterized in that an increased waste heat generated by the increased pumping power of the blower (4) is at least partially supplied to a heat consumer and / or a heat storage.
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