DE102020206522A1

DE102020206522A1 - Peripheral device for a fuel cell unit and fuel cell system with at least one fuel cell unit and at least one peripheral device

Info

Publication number: DE102020206522A1
Application number: DE102020206522.5A
Authority: DE
Inventors: Daniel Jansen; Martin Hering; Maxime Carre; Peter Horstmann; Stefanie Wahl; Thomas Danne; Rene Meise
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-05-26
Filing date: 2020-05-26
Publication date: 2021-12-02

Abstract

Die Erfindung geht aus von einer Peripheriegerätevorrichtung (10a; 10b; 10c; 10d; 10e) für eine Brennstoffzelleneinheit (12a; 12b) mit einem Lufteinlasskanal (14a; 14b) zu einer Zuführung von Frischluft zu der Brennstoffzelleneinheit (12a; 12b), mit einer Brennereinheit (16a; 16b; 16c; 16d; 16e), mit einem Wärmeübertragerelement (18a; 18b) zu einer Übertragung von Wärme von der Brennereinheit (16a; 16b; 16c; 16d; 16e) auf den Lufteinlasskanal (14a; 14b) mit einer Reformereinheit (20a; 20b; 20c; 20d; 20e) mit einem Brennstoffeinlasskanal (22a; 22b) zu einer Zuführung von Brennstoff zu der Reformereinheit (20a; 20b; 20c; 20d; 20e) und mit einem weiteren Wärmeübertragerelement (24a; 24b) zu einer Übertragung von Wärme von einem Anodenabgasstrom (26a; 26b) der Brennstoffzelleneinheit (12a; 12b) auf die Reformereinheit (20a; 20b; 20c; 20d; 20e).Es wird vorgeschlagen, dass die Peripheriegerätevorrichtung (10a; 10b; 10c; 10d; 10e) eine Brenner-Reformereinheit (28a; 28b; 28c; 28d; 28e) aufweist, in welcher ein Verbrennungsreaktor (32a; 32b; 32c; 32d; 32e) der Brennereinheit (16a; 16b; 16c; 16d; 16e) und ein Reformierungsreaktor (34a; 34b; 34c; 34d; 34e) der Reformereinheit (20a; 20b; 20c; 20d; 20e) gemeinsam integriert sind.The invention is based on a peripheral device device (10a; 10b; 10c; 10d; 10e) for a fuel cell unit (12a; 12b) with an air inlet duct (14a; 14b) for supplying fresh air to the fuel cell unit (12a; 12b), with a Burner unit (16a; 16b; 16c; 16d; 16e) with a heat exchanger element (18a; 18b) for transferring heat from the burner unit (16a; 16b; 16c; 16d; 16e) to the air inlet duct (14a; 14b) with a Reformer unit (20a; 20b; 20c; 20d; 20e) with a fuel inlet channel (22a; 22b) for feeding fuel to the reformer unit (20a; 20b; 20c; 20d; 20e) and with a further heat exchanger element (24a; 24b) a transfer of heat from an anode exhaust gas stream (26a; 26b) of the fuel cell unit (12a; 12b) to the reformer unit (20a; 20b; 20c; 20d; 20e). It is proposed that the peripheral device device (10a; 10b; 10c; 10d; 10e) has a burner reformer unit (28a; 28b; 28c; 28d; 28e) t, in which a combustion reactor (32a; 32b; 32c; 32d; 32e) of the burner unit (16a; 16b; 16c; 16d; 16e) and a reforming reactor (34a; 34b; 34c; 34d; 34e) of the reformer unit (20a; 20b; 20c; 20d; 20e) are integrated together.

Description

Stand der TechnikState of the art

Es ist bereits eine Peripheriegerätevorrichtung für eine Brennstoffzelleneinheit, mit einem Lufteinlasskanal zu einer Zuführung von Frischluft zu der Brennstoffzelleneinheit, mit einer Brennereinheit, mit einem Wärmeübertragerelement zu einer Übertragung von Wärme von der Brennereinheit auf den Lufteinlasskanal, mit einer Reformereinheit, mit einem Brennstoffeinlasskanal zu einer Zuführung von Brennstoff zu der Reformereinheit und mit einem weiteren Wärmeübertragerelement zu einer Übertragung von Wärme von einem Anodenabgasstrom der Brennstoffzelleneinheit auf die Reformereinheit, vorgeschlagen worden.It is already a peripheral device for a fuel cell unit, with an air inlet duct for supplying fresh air to the fuel cell unit, with a burner unit, with a heat transfer element for transferring heat from the burner unit to the air inlet duct, with a reformer unit, with a fuel inlet duct for a supply of fuel to the reformer unit and with a further heat transfer element for transferring heat from an anode exhaust gas stream of the fuel cell unit to the reformer unit.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Die Erfindung geht aus von einer Peripheriegerätevorrichtung für eine Brennstoffzelleneinheit, mit einem Lufteinlasskanal zu einer Zuführung von Frischluft zu der Brennstoffzelleneinheit, mit einer Brennereinheit, mit einem Wärmeübertragerelement zu einer Übertragung von Wärme von der Brennereinheit auf den Lufteinlasskanal, mit einer Reformereinheit, mit einem Brennstoffeinlasskanal zu einer Zuführung von Brennstoff zu der Reformereinheit und mit einem weiteren Wärmeübertragerelement zu einer Übertragung von Wärme von einem Anodenabgasstrom der Brennstoffzelleneinheit auf die Reformereinheit.The invention is based on a peripheral device for a fuel cell unit, with an air inlet duct for supplying fresh air to the fuel cell unit, with a burner unit, with a heat exchanger element for transferring heat from the burner unit to the air inlet duct, with a reformer unit, with a fuel inlet duct a supply of fuel to the reformer unit and with a further heat transfer element for a transfer of heat from an anode exhaust gas flow of the fuel cell unit to the reformer unit.

Es wird vorgeschlagen, dass die Peripheriegerätevorrichtung eine Brenner-Reformereinheit aufweist, in welcher ein Verbrennungsreaktor der Brennereinheit und ein Reformierungsreaktor der Reformereinheit gemeinsam integriert sind.It is proposed that the peripheral device has a burner reformer unit in which a combustion reactor of the burner unit and a reforming reactor of the reformer unit are jointly integrated.

Vorzugsweise umfasst die Brennstoffzelleneinheit zumindest eine Brennstoffzelle, einen Stack aus Brennstoffzellen und/oder einen Verbund mehrerer Stacks aus Brennstoffzellen. Vorzugsweise ist die Brennstoffzelle und/oder sind die Brennstoffzellen der Brennstoffzelleneinheit als Hochtemperaturbrennstoffzellen ausgebildet. Vorzugsweise ist die Brennstoffzelleneinheit dazu vorgesehen, einen Brennstoff unter Zuführung eines Oxidans in einem Wandlungsprozess zu einer elektrischen Energiegewinnung umzusetzen. Vorzugsweise umfasst die Brennstoffzelleneinheit zumindest eine Brennstoffelektrode, welche vorzugsweise während des Wandlungsprozesses zu einem direkten Kontakt mit dem Brennstoff vorgesehen ist. Vorzugsweise umfasst die Brennstoffzelleneinheit zumindest eine Oxidanselektrode, welche vorzugsweise während des Wandlungsprozesses zu einem direkten Kontakt mit dem Oxidans vorgesehen ist. Ohne darauf beschränkt zu sein, umfasst die Brennstoffzelleneinheit beispielsweise zumindest eine Schmelzkarbonatbrennstoffzelle (MCFC) und/oder besonders bevorzugt zumindest eine Festoxidbrennstoffzelle (SOFC). Alternativ ist die Peripheriegerätevorrichtung zu einer Versorgung der Brennstoffzelleneinheit mit einer Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle (PEMFC), mit einer Phosphorsäure-Brennstoffzelle (PAFC), einer Direktmethanol-Brennstoffzelle (DMFC), einer alkalischen Brennstoffzelle (AFC) oder dergleichen vorgesehen. Unter „vorgesehen“ soll vorzugsweise speziell eingerichtet, speziell ausgelegt und/oder speziell ausgestattet verstanden werden. Darunter, dass ein Objekt zu einer bestimmten Funktion vorgesehen ist, soll vorzugsweise verstanden werden, dass das Objekt diese bestimmte Funktion in zumindest einem Anwendungs- und/oder Betriebszustand erfüllt und/oder ausführt.The fuel cell unit preferably comprises at least one fuel cell, a stack of fuel cells and / or a combination of several stacks of fuel cells. The fuel cell and / or the fuel cells of the fuel cell unit are preferably designed as high-temperature fuel cells. The fuel cell unit is preferably provided to convert a fuel with the supply of an oxidant in a conversion process to generate electrical energy. The fuel cell unit preferably comprises at least one fuel electrode, which is preferably provided for direct contact with the fuel during the conversion process. The fuel cell unit preferably comprises at least one oxidant electrode, which is preferably provided for direct contact with the oxidant during the conversion process. Without being restricted to this, the fuel cell unit comprises, for example, at least one molten carbonate fuel cell (MCFC) and / or particularly preferably at least one solid oxide fuel cell (SOFC). Alternatively, the peripheral device is provided for supplying the fuel cell unit with a proton exchange membrane fuel cell (PEMFC), with a phosphoric acid fuel cell (PAFC), a direct methanol fuel cell (DMFC), an alkaline fuel cell (AFC) or the like. “Provided” should preferably be understood to mean specially set up, specially designed and / or specially equipped. The fact that an object is provided for a specific function should preferably be understood to mean that the object fulfills and / or executes this specific function in at least one application and / or operating state.

Unter einer „Peripheriegerätevorrichtung“ soll eine Vorrichtung verstanden werden, welche zumindest eine mit der Brennstoffzelleneinheit verbundene Einheit aufweist, welche einen Betrieb der Brennstoffzelleneinheit ermöglicht und/oder unterstützt. Ohne darauf beschränkt zu sein, kann die Peripheriegerätevorrichtung beispielsweise eine Brennstoffzufuhrleitung, eine Luftzufuhrleitung, eine Abgasleitung, eine Rezirkulationsleitung, ein Förderelement zu einer Förderung des Brennstoffs, des Oxidans und/oder des Abgases, eine Brennereinheit, eine Reformereinheit, ein Wärmeübertragerelement zu einer Abgaswärmerückgewinnung und/oder weitere, einem Fachmann als sinnvoll erscheinende Zusatzelemente zu einem Betrieb zumindest einer Brennstoffzelleneinheit, insbesondere einer Hochtemperaturbrennstoffzelleneinheit, umfassen.A “peripheral device device” should be understood to mean a device which has at least one unit connected to the fuel cell unit, which enables and / or supports operation of the fuel cell unit. Without being restricted to this, the peripheral device can for example be a fuel supply line, an air supply line, an exhaust line, a recirculation line, a conveying element for conveying the fuel, the oxidant and / or the exhaust gas, a burner unit, a reformer unit, a heat exchanger element for exhaust gas heat recovery and / or further additional elements that appear useful to a person skilled in the art for operating at least one fuel cell unit, in particular a high-temperature fuel cell unit.

Unter einer „Brennereinheit“ soll eine Einheit der Peripheriegerätevorrichtung verstanden werden, welche zu einer Abgasnachbehandlung von bei einem Betrieb der Brennstoffzelleneinheit anfallenden Abgasströmen vorgesehen ist. Die Brennereinheit umfasst zumindest einen Verbrennungsreaktor, welcher in zumindest einem Betriebszustand von dem Abgasstrom durchströmt wird. Der Abgasstrom wird in dem Verbrennungsreaktor nachverbrannt. Die Nachverbrennung kann thermisch erfolgen. Vorzugsweise erfolgt die Nachverbrennung katalytisch unter Einsatz von zumindest einem in dem Verbrennungsreaktor angeordneten Katalysator.A “burner unit” should be understood to mean a unit of the peripheral device device which is provided for exhaust gas aftertreatment of exhaust gas flows occurring during operation of the fuel cell unit. The burner unit comprises at least one combustion reactor through which the exhaust gas stream flows in at least one operating state. The exhaust gas flow is afterburned in the combustion reactor. The afterburning can take place thermally. The afterburning is preferably carried out catalytically using at least one catalyst arranged in the combustion reactor.

Unter einem „Wärmeübertragerelement“ soll ein Element der Peripheriegerätevorrichtung verstanden werden, welches in zumindest einem Betriebszustand eine thermische Energie von einem ersten Stoffstrom auf zumindest einen weiteren Stoffstrom überträgt. Das Wärmeübertragerelement kann als ein Plattenwärmeübertrager, als ein Rohrbündelwärmeübertrager, als ein Mantelrohrwärmeübertrager oder dergleichen ausgebildet sein.A “heat transfer element” is to be understood as an element of the peripheral device device which, in at least one operating state, transfers thermal energy from a first material flow to at least one further material flow. The heat exchanger element can be designed as a plate heat exchanger, as a tube bundle heat exchanger, as a jacket-tube heat exchanger or the like.

Unter einer „Reformereinheit“ soll eine Einheit der Peripheriegerätevorrichtung verstanden werden, welche zumindest einen Reformierungsreaktor zu einer Reformierung eines kohlenwasserstoffhaltigen Brennstoffs aufweist. In zumindest einem Betriebszustand der Reformereinheit erfolgt in dem Reformierungsreaktor eine Reformierung des kohlenwasserstoffhaltigen Brennstoffs und/oder eines Brennstoff-Rezirkulationsgemischs in ein wasserstoffhaltiges Reformat, welches anschließend der Brennstoffelektrode der Brennstoffzelleneinheit zuführbar ist. Die Reformierung erfolgt vorzugsweise in einem Dampfreformierungsverfahren unter Einsatz von zumindest einem in dem Reformierungsreaktor angeordneten Katalysator.A “reformer unit” is to be understood as a unit of the peripheral device device which has at least one reforming reactor for reforming a hydrocarbon-containing fuel. In at least one operating state of the reformer unit, the hydrocarbon-containing fuel and / or a fuel-recirculation mixture is reformed in the reforming reactor into a hydrogen-containing reformate, which can then be fed to the fuel electrode of the fuel cell unit. The reforming is preferably carried out in a steam reforming process using at least one catalyst arranged in the reforming reactor.

Unter einem „Katalysator“ soll ein Stoff und/oder Stoffgemisch verstanden werden, welcher/welches dazu vorgesehen ist, eine Reaktionskinetik von zumindest einer chemischen Reaktion zu begünstigen, ohne bei der chemischen Reaktion selbst verbraucht zu werden. Der Katalysator kann dazu vorgesehen sein, eine Reaktionsgeschwindigkeit der chemischen Reaktion durch Absenkung einer für die chemische Reaktion benötigten Aktivierungsenergie zu erhöhen. Der Katalysator könnte zu einer homogenen Katalyse vorgesehen sein und in dem gleichen Aggregatszustand vorliegen wie die Reaktanten der chemischen Reaktion. Vorzugsweise ist der Katalysator zu einer heterogenen Katalyse vorgesehen und weist gegenüber den Reaktanten der chemischen Reaktion einen verschiedenen Aggregatszustand auf. Beispielsweise kann der Katalysator in einer festen Phase vorliegen und zu einem Einsatz bei einer chemischen Reaktion zwischen zumindest zwei gasförmigen und/oder flüssigen Reaktanten vorgesehen sein.A “catalyst” should be understood to mean a substance and / or mixture of substances which is intended to promote the reaction kinetics of at least one chemical reaction without being consumed in the chemical reaction itself. The catalyst can be provided to increase a reaction rate of the chemical reaction by lowering an activation energy required for the chemical reaction. The catalyst could be provided for homogeneous catalysis and be in the same physical state as the reactants of the chemical reaction. The catalyst is preferably provided for heterogeneous catalysis and has a different physical state than the reactants of the chemical reaction. For example, the catalyst can be present in a solid phase and provided for use in a chemical reaction between at least two gaseous and / or liquid reactants.

Unter einer „Brenner-Reformereinheit“ soll eine Einheit der Peripheriegerätevorrichtung verstanden werden, welche zumindest den Verbrennungsreaktor der Brennereinheit und zumindest den Reformierungsreaktor der Reformereinheit aufweist und welche sowohl zu der, vorzugsweise katalytischen, Nachverbrennung der Abgasströme aus der Brennstoffzelleneinheit, als auch zu der Reformierung des kohlenwasserstoffhaltigen Brennstoffs in das wasserstoffhaltige Reformat vorgesehen ist. Vorzugsweise umfasst die Brenner-Reformereinheit neben dem Verbrennungsreaktionsraum und dem Reformierungsreaktionsraum auch möglicherweise vorhandene weitere Elemente der Brennereinheit und/oder der Reformierungseinheit. Vorzugsweise sind der Verbrennungsreaktor und der Reformierungsreaktor durch geeignete Bauelemente, insbesondere Wärmetauscher, baulich derart voneinander getrennt, dass ein Stoffaustausch zwischen den Reaktanten der innerhalb des Verbrennungsreaktors ablaufenden Verbrennung und den Reaktanten des in dem Reformierungsreaktor ablaufenden Reformierungsprozesses zumindest im Wesentlichen, vorzugsweise vollständig, verhindert ist. Es ist denkbar, dass die Brenner-Reformereinheit einen oder mehrere weitere Verbrennungsreaktoren und/oder weitere Reformierungsreaktoren aufweist. Vorzugsweise ist die Brenner-Reformer-Einheit für einen Betrieb in Peripheriegerätevorrichtungen und/oder Brennstoffzellensystemen mit Anodenabgasrezirkulation vorgesehen. Die Brenner-Reformereinheit kann alternativ jedoch auch zu einem Betrieb in Peripheriegerätevorrichtungen und/oder Brennstoffzellensystemen ohne Anodenabgasrezirkulation, insbesondere mit zusätzlicher Dampfzufuhr, vorgesehen sein.A “burner reformer unit” should be understood to mean a unit of the peripheral device which has at least the combustion reactor of the burner unit and at least the reforming reactor of the reformer unit and which is used both for the, preferably catalytic, afterburning of the exhaust gas flows from the fuel cell unit and for the reforming of the Hydrocarbon-containing fuel is provided in the hydrogen-containing reformate. In addition to the combustion reaction chamber and the reforming reaction chamber, the burner reformer unit preferably also comprises further elements of the burner unit and / or the reforming unit which may be present. The combustion reactor and the reforming reactor are preferably structurally separated from one another by suitable components, in particular heat exchangers, in such a way that an exchange of substances between the reactants of the combustion taking place within the combustion reactor and the reactants of the reforming process taking place in the reforming reactor is at least substantially, preferably completely, prevented. It is conceivable that the burner reformer unit has one or more further combustion reactors and / or further reforming reactors. The burner-reformer unit is preferably provided for operation in peripheral devices and / or fuel cell systems with anode exhaust gas recirculation. Alternatively, however, the burner reformer unit can also be provided for operation in peripheral devices and / or fuel cell systems without anode exhaust gas recirculation, in particular with an additional steam supply.

Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Peripheriegerätevorrichtung kann vorteilhaft ein vereinfachter Aufbau erzielt werden. Insbesondere kann durch eine vorteilhafte Kombination von Funktionskomponenten der Peripheriegerätevorrichtung eine Anzahl und/oder eine Einbaulänge von Bauteilen, bei uneingeschränkter Funktionalität, reduziert werden. Infolgedessen kann vorteilhaft eine Kostenersparnis erzielt werden. Insbesondere kann die Kostenersparnis durch eine Einsparung von Materialkosten und/oder Bauraum und/oder Montagekosten erreicht werden. Ferner können durch eine geringere Anzahl und/oder Einbaulänge von benötigten Rohrleitungen Druckverluste reduziert und somit Energiekosten eingespart werden. Zudem kann vorteilhaft eine Montage vereinfacht werden. Des Weiteren ist durch die vorgeschlagene Ausgestaltung der Brenner-Reformereinheit eine besonders effiziente Prozessführung der innerhalb des Verbrennungsreaktors und des Reaktionsreaktors stattfindenden Prozesse ermöglicht, indem beispielsweise eine bei der Abgasnachverbrennung anfallende Wärmemenge besonders effizient zu einem Erreichen einer für den Dampfreformierungsprozess erforderlichen Temperatur bereitgestellt werden kann.The design of the peripheral device device according to the invention advantageously enables a simplified structure to be achieved. In particular, through an advantageous combination of functional components of the peripheral device device, a number and / or an installation length of components can be reduced with unrestricted functionality. As a result, a cost saving can advantageously be achieved. In particular, the cost saving can be achieved by saving material costs and / or installation space and / or assembly costs. Furthermore, a smaller number and / or installation length of the pipelines required can reduce pressure losses and thus save energy costs. In addition, assembly can advantageously be simplified. Furthermore, the proposed design of the burner reformer unit enables particularly efficient process management of the processes taking place within the combustion reactor and the reaction reactor, for example by providing a quantity of heat generated during exhaust gas afterburning in a particularly efficient manner to achieve a temperature required for the steam reforming process.

Ferner wird vorgeschlagen, dass die Brenner-Reformereinheit dazu vorgesehen ist, eine in dem Verbrennungsreaktor anfallende Wärmemenge zumindest teilweise auf den Reformierungsreaktor zu übertragen. Durch eine derartige Ausgestaltung kann vorteilhaft ein besonders energieeffizienter Betrieb der Peripheriegerätevorrichtung ermöglicht werden.It is further proposed that the burner reformer unit is provided to transfer an amount of heat that occurs in the combustion reactor at least partially to the reforming reactor. Such a configuration can advantageously enable particularly energy-efficient operation of the peripheral device.

Zudem wird vorgeschlagen, dass die Brenner-Reformereinheit einen beidseitig katalytisch beschichteten Plattenwärmeübertrager aufweist. Hierdurch kann vorteilhaft eine effiziente Wärmeübertragung von dem Verbrennungsreaktor auf den Reformierungsreaktor mit einfachen technischen Mitteln erreicht werden. Vorzugsweise weist der beidseitig katalytisch beschichtete Plattenwärmeübertrager eine dem Verbrennungsreaktor zugewandte erste Katalysatorschicht, umfassend zumindest einen ersten Katalysator, welcher zu einer reaktionstechnischen Begünstigung der Nachverbrennung vorgesehen ist, und eine dem Reformierungsreaktor zugewandte zweite Katalysatorschicht, umfassend zumindest einen zweiten Katalysator, welcher zu einer reaktionstechnischen Begünstigung der Dampfreformierung des Brennstoffs vorgesehen ist, auf.It is also proposed that the burner reformer unit have a plate heat exchanger that is catalytically coated on both sides. In this way, efficient heat transfer from the combustion reactor to the reforming reactor can advantageously be achieved with simple technical means. The plate heat exchanger, which is catalytically coated on both sides, preferably has a first catalyst layer facing the combustion reactor, comprising at least one first catalyst, which promotes post-combustion in terms of reaction technology is provided, and a second catalyst layer facing the reforming reactor, comprising at least one second catalyst, which is provided to favor the steam reforming of the fuel in terms of reaction technology.

Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die Brenner-Reformereinheit einen Rohrbündelwärmeübertrager aufweist. Hierdurch kann vorteilhaft eine besonders gleichmäßige Wärmeübertragung der bei der Nachverbrennung anfallenden Abwärme von dem Verbrennungsreaktor auf den Reformierungsreaktor erreicht werden. Der Rohrbündelwärmeübertrager kann zu einem Betrieb nach einem Gleichstromprinzip oder nach einem Kreuzstromprinzip und vorzugsweise nach einem Gegenstromprinzip ausgelegt sein. Der Rohrbündelwärmeübertrager könnte beispielsweise eine einseitige oder beidseitige katalytische Beschichtung aufweisen.It is also proposed that the burner reformer unit have a tube bundle heat exchanger. In this way, a particularly uniform heat transfer of the waste heat produced during post-combustion can advantageously be achieved from the combustion reactor to the reforming reactor. The tube bundle heat exchanger can be designed for operation according to a co-current principle or according to a cross-current principle and preferably according to a counter-current principle. The tube bundle heat exchanger could, for example, have a catalytic coating on one or both sides.

Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass der Rohrbündelwärmeübertrager eine beidseitige Katalysatorschüttung aufweist. Hierdurch können vorteilhaft eine heterogene Katalyse zu der Abgasnachbehandlung des Abgasstroms sowie eine effiziente Umsetzung von Bestandteilen des Brennstoffs in Wasserstoff an einem heterogenen Katalysator in der Gasphase bei der Dampfreformierung mit einfachen technischen Mitteln realisiert werden. Zudem können die in dem Abgasstrom enthaltenen Reaktanten besonders gleichmäßig mit dem Katalysator kontaktiert werden. Unter einer „Katalysatorschüttung“ soll eine Schüttung eines Trägermaterials verstanden werden, auf welches ein Katalysator, beispielsweise durch einen Beschichtungs- oder Adsorptionsprozess, aufgebracht ist. Das Trägermaterial kann beispielsweise aus einem keramischen Material hergestellt und in Form eines Pulvers und/oder in Form von zylinder- oder kugelförmigen Formkörpern vorliegen. Vorzugsweise weist der Rohrbündelwärmeübertrager eine in dem Verbrennungsreaktor angeordnete erste Katalysatorschüttung, umfassend zumindest einen ersten Katalysator, welcher zu einer reaktionstechnischen Begünstigung der Nachverbrennung des Abgasstroms vorgesehen ist, und eine in dem Reformierungsreaktor angeordnete zweite Katalysatorschüttung, umfassend zumindest einen zweiten Katalysator, welcher zu einer reaktionstechnischen Begünstigung der Dampfreformierung des Brennstoffs vorgesehen ist, auf. Durch eine derartige Ausgestaltung kann vorteilhaft auch eine effiziente Katalyse des Dampfreformierungsprozesses erreicht werden.In addition, it is proposed that the tube bundle heat exchanger have a catalyst bed on both sides. In this way, a heterogeneous catalysis for the exhaust gas aftertreatment of the exhaust gas stream as well as an efficient conversion of components of the fuel into hydrogen over a heterogeneous catalyst in the gas phase during steam reforming can advantageously be realized with simple technical means. In addition, the reactants contained in the exhaust gas flow can be contacted with the catalyst particularly uniformly. A “catalyst bed” is to be understood as a bed of a carrier material to which a catalyst is applied, for example by a coating or adsorption process. The carrier material can, for example, be made of a ceramic material and be in the form of a powder and / or in the form of cylindrical or spherical shaped bodies. The shell-and-tube heat exchanger preferably has a first catalyst bed arranged in the combustion reactor, comprising at least one first catalyst, which is provided to favor the afterburning of the exhaust gas flow in terms of reaction technology, and a second catalyst bed arranged in the reforming reactor, comprising at least one second catalyst, which is intended to favor reaction technology the steam reforming of the fuel is provided on. Such a configuration can advantageously also be used to achieve efficient catalysis of the steam reforming process.

Ferner wird vorgeschlagen, dass der Rohrbündelwärmeübertrager zumindest ein Katalysatornetz aufweist. Hierdurch kann vorteilhaft eine besonders effiziente katalytische Nachverbrennung und/oder eine besonders effiziente Katalyse der Dampfreformierung ermöglicht werden. Unter einem „Katalysatornetz“ soll ein Element verstanden werden, welches aus einer Vielzahl von zusammenhängenden, aus einem Katalysatormaterial hergestellten, Drähten besteht. Das Katalysatornetz kann einseitig an dem Rohrbündelwärmeübertrager angeordnet sein. Vorzugsweise weist der Rohrbündelwärmeübertrager zumindest ein in dem Verbrennungsreaktor angeordnetes erstes Katalysatornetz, umfassend zumindest einen ersten Katalysator, welcher zu einer reaktionstechnischen Begünstigung der Nachverbrennung der Abgasströme vorgesehen ist, und zumindest ein in dem Reformierungsreaktor angeordnetes zweites Katalysatornetz, umfassend zumindest einen zweiten Katalysator, welcher zu einer reaktionstechnischen Begünstigung der Dampfreformierung des Brennstoffes vorgesehen ist, auf.It is also proposed that the tube bundle heat exchanger has at least one catalyst network. In this way, particularly efficient catalytic post-combustion and / or particularly efficient catalysis of the steam reforming can advantageously be made possible. A “catalyst network” should be understood to mean an element which consists of a large number of coherent wires made from a catalyst material. The catalyst network can be arranged on one side of the tube bundle heat exchanger. The tube bundle heat exchanger preferably has at least one first catalyst network arranged in the combustion reactor, comprising at least one first catalyst, which is provided to favor the afterburning of the exhaust gas flows in terms of reaction technology, and at least one second catalyst network arranged in the reforming reactor, comprising at least one second catalyst, which leads to a reaction engineering favoring the steam reforming of the fuel is provided on.

Zudem wird vorgeschlagen, dass der Rohrbündelwärmeübertrager zumindest einen Katalysatormonolithen aufweist. Hierdurch kann vorteilhaft ein Strömungswiderstand des Abgasstroms bei der Abgasnachbehandlung und/oder des Brennstoffstroms bei der Dampferformierung, insbesondere im Vergleich zu einer Katalysatorschüttung, reduziert werden. Unter einem „Katalysatormonolithen“ soll insbesondere ein Element verstanden werden, welches einen Grundträger mit einem darauf aufgebrachten Katalysatormaterial aufweist. Der Grundträger kann hierbei beispielsweise aus einem keramischen und/oder metallischen Material hergestellt sein. Der Grundträger kann insbesondere eine wabenförmige Struktur aufweisen. Der Grundträger kann zu einer Erhöhung einer inneren Oberfläche mit einem so genannten Washcoat beschichtet sein, welcher mit dem Katalysator imprägniert ist. Vorzugsweise weist der Rohrbündelwärmeübertrager zumindest einen in dem Verbrennungsreaktor angeordneten ersten Katalysatormonolithen, umfassend zumindest einen ersten Katalysator, welcher zu einer reaktionstechnischen Begünstigung der Nachverbrennung der Abgasströme vorgesehen ist, und zumindest einen in dem Reformierungsreaktor angeordneten zweiten Katalysatormonolithen, umfassend zumindest einen zweiten Katalysator, welcher zu einer reaktionstechnischen Begünstigung der Dampfreformierung des Brennstoffs vorgesehen ist, auf.It is also proposed that the tube bundle heat exchanger has at least one catalyst monolith. In this way, a flow resistance of the exhaust gas flow during exhaust gas aftertreatment and / or of the fuel flow during steam formation can advantageously be reduced, in particular in comparison to a catalyst bed. A “catalyst monolith” is to be understood in particular as an element which has a base support with a catalyst material applied to it. The base support can be made from a ceramic and / or metallic material, for example. The base support can in particular have a honeycomb structure. The base support can be coated with a so-called washcoat, which is impregnated with the catalyst, to increase an inner surface. The tube bundle heat exchanger preferably has at least one first catalytic converter monolith arranged in the combustion reactor, comprising at least one first catalytic converter, which is provided to favor the afterburning of the exhaust gas streams in terms of reaction technology, and at least one second catalytic converter monolith arranged in the reforming reactor, comprising at least one second catalytic converter which leads to a reaction engineering favoring the steam reforming of the fuel is provided on.

Es wäre auch denkbar, dass der Rohrbündelwärmeübertrager eine Kombination der vorgenannten Ausgestaltungen von Katalysatorstrukturen aufweist. Der Rohrbündelwärmeübertrager könnte beispielsweise eine Kombination aus einer ersten und/oder zweiten Katalysatorschüttung mit einem ersten und/oder zweiten Katalysatornetz und/oder mit einem ersten und/oder zweiten Katalysatormonolithen aufweisen, um die Prozesse der Abgasnachbehandlung und/oder Dampfreformierung vorteilhaft weiterzuentwickeln und/oder für individuelle Betriebsbedingungen bestimmter Typen von Brennstoffzelleneinheiten und/oder Brennstoffzellensystemen zu optimieren.It would also be conceivable that the tube bundle heat exchanger has a combination of the aforementioned configurations of catalyst structures. The tube bundle heat exchanger could, for example, have a combination of a first and / or second catalyst bed with a first and / or second catalyst network and / or with a first and / or second catalyst monolith in order to advantageously further develop and / or for the processes of exhaust gas aftertreatment and / or steam reforming to optimize individual operating conditions of certain types of fuel cell units and / or fuel cell systems.

Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass das weitere Wärmeübertragerelement als eine Vorheizzone innerhalb des Reformierungsreaktors ausgebildet ist. Hierdurch kann vorteilhaft der Dampfreformierungsprozess besonders effizient gestaltet werden. Ferner kann eine besonders kompakte Bauweise der Peripheriegerätevorrichtung erreicht werden, in dem das weitere Wärmeübertragerelement als zusätzliches separates Bauteil entfällt. Die Vorheizzone ist zu einer Vorheizung des wasserstoffhaltigen Brennstoffs und/oder des Brennstoff-Rezirkulationsgemischs vorgesehen.It is also proposed that the further heat exchanger element be designed as a preheating zone within the reforming reactor. In this way, the steam reforming process can advantageously be designed to be particularly efficient. Furthermore, a particularly compact design of the peripheral device device can be achieved in that the further heat exchanger element is omitted as an additional separate component. The preheating zone is provided for preheating the hydrogen-containing fuel and / or the fuel-recirculation mixture.

Es wäre denkbar, dass die Vorheizung des wasserstoffhaltigen Brennstoffs und/oder des Brennstoff-Rezirkulationsgemischs in einem katalytisch aktiven Bereich des Reformierungsreaktors erfolgt. In einer bevorzugten Ausgestaltung wird jedoch vorgeschlagen, dass die Vorheizzone als ein katalytisch inaktiver Bereich des Reformierungsreaktors ausgebildet ist. Durch eine derartige Ausgestaltung kann vorteilhaft ein besonders effizienter Einsatz von oftmals kostenintensiven Katalysatormaterialien erreicht werden. Vorzugsweise schließt sich eine katalytisch aktive Reformierungszone des Reformierungsreaktors, worin der Dampfreformierungsprozess des in der Vorheizzone vorgewärmten Brennstoffs und/oder Brennstoff-Rezirkulationsgemischs stattfinden kann, baulich unmittelbar an die Vorheizzone an.It would be conceivable for the hydrogen-containing fuel and / or the fuel / recirculation mixture to be preheated in a catalytically active area of the reforming reactor. In a preferred embodiment, however, it is proposed that the preheating zone be designed as a catalytically inactive area of the reforming reactor. Such a configuration can advantageously achieve a particularly efficient use of often cost-intensive catalyst materials. A catalytically active reforming zone of the reforming reactor, in which the steam reforming process of the fuel and / or fuel recirculation mixture preheated in the preheating zone can take place, is preferably structurally directly connected to the preheating zone.

Ferner wird vorgeschlagen, dass die Peripheriegerätevorrichtung ein Hochtemperatur-Rezirkulationsgebläse zu einer Zuführung eines Gemischs aus Brennstoff und einem Teilstrom des Anodenabgasstroms in den Reformierungsreaktor aufweist. Ein Einsatz eines Hochtemperatur-Rezirkulationsgebläses ist insbesondere für Ausgestaltungen von Peripheriegerätevorrichtungen mit innerhalb des Reformierungsreaktors angeordneter Vorheizzone vorteilhaft, um möglichen Beschädigungen durch thermische Einflüsse, welche durch die mit einem Entfall des weiteren Wärmeübertragerelements bedingten erhöhten Temperaturen von Anodenabgasströmen hervorgerufen sein können, vorzubeugen und somit eine besonders zuverlässige und/oder wartungsarme und/oder langlebige Peripheriegerätevorrichtung bereitzustellen. Vorteilhaft ist das Hochtemperatur-Rezirkulationsgebläse für Betriebstemperaturen von zumindest 90 °C, vorzugsweise zumindest 300 °C und besonders bevorzugt bis zu 650 °C ausgelegt.It is also proposed that the peripheral device has a high-temperature recirculation fan for feeding a mixture of fuel and a partial flow of the anode exhaust gas flow into the reforming reactor. The use of a high-temperature recirculation fan is particularly advantageous for configurations of peripheral devices with a preheating zone arranged within the reforming reactor in order to prevent possible damage from thermal influences which can be caused by the increased temperatures of the anode exhaust gas streams caused by the omission of the further heat exchanger element, and thus a particular to provide reliable and / or low-maintenance and / or long-life peripheral device device. The high-temperature recirculation fan is advantageously designed for operating temperatures of at least 90.degree. C., preferably at least 300.degree. C. and particularly preferably up to 650.degree.

Die Erfindung betrifft zudem ein Brennstoffzellensystem mit zumindest einer Brennstoffzelleneinheit und zumindest einer Peripheriegerätevorrichtung nach einer der vorgenannten Ausgestaltungen. Ein derartiges Brennstoffzellensystem zeichnet sich insbesondere durch seine vorteilhaften Eigenschaften in Bezug auf eine gesteigerte Energieeffizienz und/oder einen gesteigerten Wirkungsgrad sowie durch eine besonders kompakte und/oder gewichtssparende Bauweise, welche insbesondere durch die Kombination von zwei oder mehr Funktionskomponenten in einer gemeinsamen Brenner-Reformereinheit der Peripheriegerätevorrichtung ermöglicht ist, aus.The invention also relates to a fuel cell system with at least one fuel cell unit and at least one peripheral device according to one of the aforementioned configurations. Such a fuel cell system is characterized in particular by its advantageous properties in terms of increased energy efficiency and / or increased efficiency as well as by a particularly compact and / or weight-saving design, which is achieved in particular by the combination of two or more functional components in a common burner reformer unit of the Peripheral device is enabled from.

Die erfindungsgemäße Peripheriegerätevorrichtung und das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem sollen hierbei nicht auf die oben beschriebene Anwendung und Ausführungsform beschränkt sein. Insbesondere können die erfindungsgemäße Peripheriegerätevorrichtung und/oder das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem zu einer Erfüllung einer hierin beschriebenen Funktionsweise eine von einer hierin genannten Anzahl von einzelnen Elementen, Bauteilen und Einheiten abweichende Anzahl aufweisen. Zudem sollen bei den in dieser Offenbarung angegebenen Wertebereichen auch innerhalb der genannten Grenzen liegende Werte als offenbart und als beliebig einsetzbar gelten.The peripheral device according to the invention and the fuel cell system according to the invention are not intended to be restricted to the application and embodiment described above. In particular, the peripheral device device according to the invention and / or the fuel cell system according to the invention can have a number of individual elements, components and units that differs from a number of individual elements, components and units mentioned herein in order to fulfill a mode of operation described herein. In addition, in the value ranges specified in this disclosure, values lying within the stated limits should also be deemed disclosed and can be used in any way.

Zeichnungdrawing

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

Es zeigen:

1 ein schematisches Fließschema eines Brennstoffzellensystems mit einer Brennstoffzelleneinheit und einer Peripheriegerätevorrichtung umfassend eine Brenner-Reformereinheit,
2 ein schematisches Fließschema eines alternativen Ausführungsbeispiels eines Brennstoffzellensystems mit einer Brennstoffzelleneinheit und einer Peripheriegerätevorrichtung umfassend eine Brenner-Reformereinheit,
3 eine schematische Ansicht der Brenner-Reformereinheit des Ausführungsbeispiels der 2,
4 eine schematische Ansicht eines weiteren alternativen Ausführungsbeispiels einer Brenner-Reformereinheit einer Peripheriegerätevorrichtung, mit einem Rohrbündelwärmeübertrager mit beidseitigen Katalysatorschüttungen,
5 eine schematische Ansicht eines weiteren alternativen Ausführungsbeispiels einer Brenner-Reformereinheit einer Peripheriegerätevorrichtung, mit einem Rohrbündelwärmeübertrager mit Katalysatornetzen und
6 eine schematische Ansicht eines weiteren alternativen Ausführungsbeispiels einer Brenner-Reformereinheit einer Peripheriegerätevorrichtung, mit einem Rohrbündelwärmeübertrager mit Katalysatormonolithen.

Show it:

1 a schematic flow diagram of a fuel cell system with a fuel cell unit and a peripheral device comprising a burner reformer unit,
2 a schematic flow diagram of an alternative embodiment of a fuel cell system with a fuel cell unit and a peripheral device comprising a burner reformer unit,
3 a schematic view of the burner reformer unit of the embodiment of FIG 2 ,
4th a schematic view of a further alternative embodiment of a burner reformer unit of a peripheral device, with a tube bundle heat exchanger with catalyst beds on both sides,
5 a schematic view of a further alternative embodiment of a burner reformer unit of a peripheral device, with a tube bundle heat exchanger with catalyst networks and
6th a schematic view of a further alternative embodiment of a burner reformer unit of a peripheral device, with a tube bundle heat exchanger with catalyst monoliths.

Beschreibung der AusführungsbeispieleDescription of the exemplary embodiments

1 zeigt ein Brennstoffzellensystem 50a mit einer Brennstoffzelleneinheit 12a und einer Peripheriegerätevorrichtung 10a für die Brennstoffzelleneinheit 12a in einem schematischen Fließbild. Die Brennstoffzelleinheit 12a ist als eine Festoxidbrennstoffzelle (SOFC) ausgebildet. 1 shows a fuel cell system 50a with a fuel cell unit 12a and a peripheral device 10a for the fuel cell unit 12a in a schematic flow diagram. The fuel cell unit 12a is designed as a solid oxide fuel cell (SOFC).

Die Peripheriegerätevorrichtung 10a weist einen Lufteinlasskanal 14a auf. Der Lufteinlasskanal 14a ist zu einer Zuführung von Frischluft zu der Brennstoffzelleneinheit 12a vorgesehen. Der Lufteinlasskanal 14a ist mit einem Kathodeneinlass 70a der Brennstoffzelleneinheit 12a verbunden. Dem Lufteinlasskanal 14a ist Frischluft mittels eines Luftgebläses 52a aus einer Luftzufuhr 58a zuführbar.The peripheral device 10a has an air inlet duct 14a on. The air inlet duct 14a is for a supply of fresh air to the fuel cell unit 12a intended. The air inlet duct 14a is with a cathode inlet 70a the fuel cell unit 12a tied together. The air inlet duct 14a is fresh air by means of an air blower 52a from an air supply 58a feedable.

Die Peripheriegerätevorrichtung 10a weist eine Brennereinheit 16a auf. Die Brennereinheit 16a ist zu einer katalytischen Nachverbrennung eines Kathodenabgasstroms 80a der Brennstoffzelleneinheit 12a und eines Anodenabgasstroms 26a aus der Brennstoffzelleneinheit 12a vorgesehen. Die Brennereinheit 16a umfasst einen Verbrennungsreaktor 32a für die katalytische Nachverbrennung. Über einen Kathodenauslass 72a der Brennstoffzelleneinheit 12a kann der Kathodenabgasstrom 80a dem Verbrennungsreaktor 32a zugeführt werden. Über einen Anodenauslass 76a der Brennstoffzelleneinheit 12a kann der Anodenabgasstrom 26a dem Verbrennungsreaktor 32a zugeführt werden. Ein nachverbrannter Abgasstrom 84a kann über eine Abgasabfuhr 62a abgeführt werden.The peripheral device 10a has a burner unit 16a on. The burner unit 16a is a catalytic afterburning of a cathode exhaust gas stream 80a the fuel cell unit 12a and an anode exhaust stream 26a from the fuel cell unit 12a intended. The burner unit 16a includes a combustion reactor 32a for catalytic afterburning. Via a cathode outlet 72a the fuel cell unit 12a can be the cathode exhaust gas flow 80a the combustion reactor 32a are fed. Via an anode outlet 76a the fuel cell unit 12a can the anode exhaust gas flow 26a the combustion reactor 32a are fed. A post-burned exhaust gas stream 84a can be via an exhaust gas discharge 62a be discharged.

Die Peripheriegerätevorrichtung 10a weist eine Reformereinheit 20a auf. Die Reformereinheit 20a ist zu einer Erzeugung eines wasserstoffhaltigen Reformats 68a mittels Dampfreformierung für die Brennstoffzelleneinheit 12a vorgesehen. Die Reformereinheit 20a umfasst einen Reformierungsreaktor 34a für die Dampfreformierung.The peripheral device 10a has a reformer unit 20a on. The reformer unit 20a is a production of a hydrogen-containing reformate 68a by means of steam reforming for the fuel cell unit 12a intended. The reformer unit 20a includes a reforming reactor 34a for steam reforming.

Die Peripheriegerätevorrichtung 10a weist eine Brenner-Reformereinheit 28a auf. Der Verbrennungsreaktor 32a der Brennereinheit 16a und der Reformierungsreaktor 34a der Reformereinheit 20a sind gemeinsam in der Brenner-Reformereinheit 28a integriert. Die Brenner-Reformereinheit 28a ist dazu vorgesehen, eine in dem Verbrennungsreaktor 32a anfallende Wärmemenge zumindest teilweise auf den Reformierungsreaktor 34a zu übertragen.The peripheral device 10a has a burner reformer unit 28a on. The combustion reactor 32a the burner unit 16a and the reforming reactor 34a the reformer unit 20a are together in the burner reformer unit 28a integrated. The burner reformer unit 28a is provided for one in the combustion reactor 32a Accumulated amount of heat at least partially on the reforming reactor 34a transferred to.

Die Brenner-Reformereinheit 28a weist einen beidseitig katalytisch beschichteten Plattenwärmeübertrager 36a auf. Der Plattenwärmeübertrager 36a weist eine dem Verbrennungsreaktor 32a zugewandte erste Katalysatorschicht (nicht dargestellt) auf, welche eine Nachverbrennung reaktionstechnisch begünstigt. Der Plattenwärmeübertrager 36a weist eine dem Reformierungsreaktor 34a zugewandte zweite Katalysatorschicht (nicht dargestellt) auf, welche die Dampfreformierung reaktionstechnisch begünstigt.The burner reformer unit 28a has a plate heat exchanger with a catalytic coating on both sides 36a on. The plate heat exchanger 36a has a combustion reactor 32a facing first catalyst layer (not shown), which favors post-combustion in terms of reaction technology. The plate heat exchanger 36a assigns one to the reforming reactor 34a facing second catalyst layer (not shown), which promotes the steam reforming reaction technology.

Die Peripheriegerätevorrichtung 10a weist ein Wärmeübertragerelement 18a auf. In einem Betriebszustand der Peripheriegerätevorrichtung 10a überträgt das Wärmeübertragerelement 18a einen Teil einer in dem Abgasstrom 84a enthaltenen Wärmemenge zu einer Luftvorwärmung auf den Lufteinlasskanal 14a.The peripheral device 10a has a heat exchanger element 18a on. In an operating state of the peripheral device 10a transfers the heat exchanger element 18a part of one in the exhaust stream 84a The amount of heat contained in the air is preheated to the air inlet duct 14a .

Die Peripheriegerätevorrichtung 10a umfasst einen Brennstoffeinlasskanal 22a. Der Brennstoffeinlasskanal 22a ist zu einer Zuführung von Brennstoff in den Reformierungsreaktor 34a der Reformereinheit 20a vorgesehen. Die Peripheriegerätevorrichtung 10a weist eine Brennstoffzufuhr 60a auf. In einem Betriebszustand der Peripheriegerätevorrichtung 10a wird mittels eines Brennstoffgebläses 54a ein Brennstoff aus der Brennstoffzufuhr 60a dem Brennstoffeinlasskanal 22a zugeführt. Anschließend wird der Brennstoff in dem Betriebszustand mit einem ersten Teilstrom 46a eines Anodenabgasstroms 26a der Brennstoffzelleneinheit 12a mittels eines Rezirkulationsgebläses 56a vermengt. Ein Brennstoff-Rezirkulationsgemisch 64a wird dem Reformierungsreaktor 34a der Reformereinheit 20a zugeführt. Ein zweiter Teilstrom 48a des Anodenabgasstroms 26a wird in dem Betriebszustand dem Verbrennungsreaktor 32a zugeführt.The peripheral device 10a includes a fuel inlet port 22a . The fuel inlet duct 22a is to feed fuel into the reforming reactor 34a the reformer unit 20a intended. The peripheral device 10a has a fuel supply 60a on. In an operating state of the peripheral device 10a is made by means of a fuel blower 54a a fuel from the fuel supply 60a the fuel inlet duct 22a fed. The fuel is then in the operating state with a first partial flow 46a an anode exhaust stream 26a the fuel cell unit 12a by means of a recirculation fan 56a mixed up. A fuel-recirculation mixture 64a becomes the reforming reactor 34a the reformer unit 20a fed. A second partial stream 48a of the anode exhaust stream 26a is in the operating state the combustion reactor 32a fed.

Die Peripheriegerätevorrichtung 10a weist ein weiteres Wärmeübertragerelement 24a auf. Das weitere Wärmeübertragerelement 24a ist zu einer Vorwärmung des Brennstoff-Rezirkulationsgemischs 64a mittels einer Übertragung von Wärme aus dem in der Brennstoffzelleneinheit 12a anfallenden Anodenabgasstrom 26a vorgesehen.The peripheral device 10a has another heat exchanger element 24a on. The further heat exchanger element 24a is to preheat the fuel-recirculation mixture 64a by means of a transfer of heat from the in the fuel cell unit 12a accruing anode exhaust gas flow 26a intended.

In den 2 bis 6 sind weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung gezeigt. Die nachfolgenden Beschreibungen und die Zeichnungen beschränken sich im Wesentlichen auf die Unterschiede zwischen den Ausführungsbeispielen, wobei bezüglich gleich bezeichneter Bauteile, insbesondere in Bezug auf Bauteile mit gleichen Bezugszeichen, grundsätzlich auch auf die Zeichnungen und/oder die Beschreibung der anderen Ausführungsbeispiele, insbesondere der 1, verwiesen werden kann. Zur Unterscheidung der Ausführungsbeispiele ist der Buchstabe a den Bezugszeichen des Ausführungsbeispiels in der 1 nachgestellt. In the 2 until 6th further embodiments of the invention are shown. The following descriptions and the drawings are essentially limited to the differences between the exemplary embodiments, whereby with regard to components with the same designation, in particular with regard to components with the same reference numerals, in principle also to the drawings and / or the description of the other exemplary embodiments, in particular the 1 , can be referenced. To differentiate the exemplary embodiments, the letter a is the reference number of the exemplary embodiment in FIG 1 re-enacted.

In den Ausführungsbeispielen der 2 bis 6 ist der Buchstabe a durch die Buchstaben b bis e ersetzt.In the embodiments of 2 until 6th the letter a is replaced by the letters b to e.

2 zeigt ein Brennstoffzellensystem 50b mit einer Brennstoffzelleneinheit 12b und einer Peripheriegerätevorrichtung 10b für die Brennstoffzelleneinheit 12b in einem schematischen Fließbild. 2 shows a fuel cell system 50b with a fuel cell unit 12b and a peripheral device 10b for the fuel cell unit 12b in a schematic flow diagram.

Die Peripheriegerätevorrichtung 10b unterscheidet sich von der Peripheriegerätevorrichtung 10a des vorhergehenden Ausführungsbeispiels im Wesentlichen hinsichtlich einer Ausgestaltung einer Brenner-Reformereinheit 28b.The peripheral device 10b is different from the peripheral device 10a of the preceding exemplary embodiment essentially with regard to an embodiment of a burner reformer unit 28b .

In der Brenner-Reformereinheit 28b sind ein Verbrennungsreaktor 32b einer Brennereinheit 16b und ein Reformierungsreaktor 34b einer Reformereinheit 20b gemeinsam integriert. Die Brenner-Reformereinheit 28b ist dazu vorgesehen, eine in dem Verbrennungsreaktor 32b anfallende Wärmemenge zumindest teilweise auf den Reformierungsreaktor 34b zu übertragen. Die Brenner-Reformereinheit 28b weist einen beidseitig katalytisch beschichteten Plattenwärmeübertrager 36b auf.In the burner reformer unit 28b are a combustion reactor 32b a burner unit 16b and a reforming reactor 34b a reformer unit 20b integrated together. The burner reformer unit 28b is provided for one in the combustion reactor 32b Accumulated amount of heat at least partially on the reforming reactor 34b transferred to. The burner reformer unit 28b has a plate heat exchanger with a catalytic coating on both sides 36b on.

Die Peripheriegerätevorrichtung 10b weist ein weiteres Wärmeübertragerelement 24b auf, welches zu einer Vorwärmung eines Brennstoff-Rezirkulationsgemischs 64b eines in der Brennstoffzelleneinheit 12b anfallenden Anodenabgasstroms 26b vorgesehen ist. Im Unterschied zu dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel ist das weitere Wärmeübertragerelement 24b als eine Vorheizzone 30b innerhalb des Reformierungsreaktors 34b ausgebildet (vgl. 3).The peripheral device 10b has another heat exchanger element 24b on, which leads to a preheating of a fuel-recirculation mixture 64b one in the fuel cell unit 12b accruing anode exhaust gas flow 26b is provided. In contrast to the previous exemplary embodiment, the additional heat exchanger element is 24b as a preheating zone 30b inside the reforming reactor 34b trained (cf. 3 ).

In einem Betriebszustand der Peripheriegerätevorrichtung 10b wird ein erster Teilstrom 46b des Anodenabgasstroms 26b der Brennstoffzelleneinheit 12b mit einem über einen Brennstoffeinlasskanal 22b zugeführten Brennstoff vermengt. Da das weitere Wärmeübertragerelement 24b direkt innerhalb des Reformierungsreaktors 34b angeordnet ist und eine Wärmeübertragung erst in dem Reformierungsreaktor 34b stattfindet, weist der erste Teilstrom 46b des Anodenabgasstroms 26b eine, im Vergleich zu dem ersten Teilstrom 46a aus dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel, erhöhte Temperatur auf. Die Peripheriegerätevorrichtung 10b weist ein Hochtemperatur-Rezirkulationsgebläse 86b zu einer Zuführung eines Brennstoff-Rezirkulationsgemischs 64b aus Brennstoff und des ersten Teilstroms 46b des Anodenabgasstroms 26b in den Reformierungsreaktor 34b auf. Das Hochtemperatur-Rezirkulationsgebläse 86b ist für die erhöhte Temperatur des ersten Teilstroms 46b ausgelegt.In an operating state of the peripheral device 10b becomes a first substream 46b of the anode exhaust stream 26b the fuel cell unit 12b with one via a fuel inlet duct 22b mixed fuel supplied. As the further heat exchanger element 24b directly inside the reforming reactor 34b is arranged and a heat transfer only in the reforming reactor 34b takes place, has the first partial flow 46b of the anode exhaust stream 26b one, compared to the first substream 46a from the previous embodiment, increased temperature. The peripheral device 10b has a high temperature recirculation fan 86b to a feed of a fuel-recirculation mixture 64b from fuel and the first partial flow 46b of the anode exhaust stream 26b into the reforming reactor 34b on. The high temperature recirculation fan 86b is for the increased temperature of the first substream 46b designed.

3 zeigt die Brenner-Reformereinheit 28b der Peripheriegerätevorrichtung 10b in einer schematischen Darstellung. Das Brennstoff-Rezirkulationsgemisch 64b strömt in dem Betriebszustand der Peripheriegerätevorrichtung 10b in die Vorheizzone 30b des Reformierungsreaktors 34b. Die Vorheizzone 30b ist als ein katalytisch inaktiver Bereich des Reformierungsreaktors 34b ausgebildet. Nach Vorheizung des Brennstoff-Rezirkulationsgemischs 64b erfolgt eine Dampfreformierung in einer katalytisch aktiven Reformierungszone 66b des Reformierungsreaktors 34b. Ein bei der Dampfreformierung entstehendes Reformat 68b wird anschließend über einen Anodeneinlass 74b der Brennstoffzelleneinheit 12b zugeführt (vgl. 2). 3 shows the burner reformer unit 28b the peripheral device 10b in a schematic representation. The fuel-recirculation mixture 64b flows in the operating state of the peripheral device 10b in the preheating zone 30b of the reforming reactor 34b . The preheating zone 30b is as a catalytically inactive area of the reforming reactor 34b educated. After preheating the fuel-recirculation mixture 64b steam reforming takes place in a catalytically active reforming zone 66b of the reforming reactor 34b . A reformate resulting from steam reforming 68b is then via an anode inlet 74b the fuel cell unit 12b supplied (cf. 2 ).

Ein zweiter Teilstrom 48b des Anodenabgasstroms 26b wird zusammen mit einem Kathodenabgasstrom 80b aus der Brennstoffzelleneinheit 12b dem Verbrennungsreaktor 32b der Brennereinheit 16b katalytisch nachverbrannt und anschließend als ein Abgasstrom 84b über eine Abgasabfuhr 62b (vgl. 2) ausgeleitetet.A second partial stream 48b of the anode exhaust stream 26b comes along with a cathode exhaust stream 80b from the fuel cell unit 12b the combustion reactor 32b the burner unit 16b catalytically post-burned and then as an exhaust gas stream 84b via an exhaust gas discharge 62b (see. 2 ) diverted.

4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Brenner-Reformereinheit 28c einer Peripheriegerätevorrichtung 10c in einer schematischen Darstellung. Die Brenner-Reformereinheit 28c unterscheidet sich von den vorhergehenden Ausführungsbeispielen im Wesentlichen hinsichtlich einer Ausgestaltung einer Wärmeübertragung einer in einem Verbrennungsreaktor 32c einer Brennereinheit 16c anfallenden Wärmemenge auf einen Reformierungsreaktor 34c einer Reformereinheit 20c. 4th shows a further embodiment of a burner reformer unit 28c a peripheral device 10c in a schematic representation. The burner reformer unit 28c differs from the preceding exemplary embodiments essentially with regard to an embodiment of a heat transfer in a combustion reactor 32c a burner unit 16c Accumulated amount of heat on a reforming reactor 34c a reformer unit 20c .

Die Brenner-Reformereinheit 28c weist einen Rohrbündelwärmeübertrager 38c auf. Der Rohrbündelwärmeübertrager 38c weist eine beidseitige Katalysatorschüttung auf. Eine erste Katalysatorschüttung 40c ist auf einer dem Verbrennungsreaktor 32c zugewandten Seite des Rohrbündelwärmeübertragers 38c angeordnet und umfasst zumindest einen Katalysator für eine katalytische Abgasnachbehandlung eines zweiten Teilstroms 48c eines Anodenabgasstroms (in 4 nicht gezeigt, vgl. 1 Anodenabgasstrom 26a) sowie eines Kathodenabgasstroms 80c. Eine zweite Katalysatorschüttung 88c ist auf einer der Reformierungseinheit 34c angeordneten Seite angeordnet und umfasst zumindest einen Katalysator zu einer Katalyse einer Dampfreformierung eines Brennstoff-Rezirkulationsgemischs 64c in ein Reformat 66c.The burner reformer unit 28c has a tube bundle heat exchanger 38c on. The tube bundle heat exchanger 38c has a catalyst bed on both sides. A first bed of catalyst 40c is on one of the combustion reactor 32c facing side of the tube bundle heat exchanger 38c arranged and comprises at least one catalyst for catalytic exhaust gas aftertreatment of a second substream 48c an anode exhaust stream (in 4th not shown, cf. 1 Anode exhaust stream 26a) and a cathode exhaust stream 80c . A second bed of catalyst 88c is on one of the reforming unit 34c arranged side and comprises at least one catalyst for a catalysis of a steam reforming of a fuel-recirculation mixture 64c into a reformate 66c .

5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Brenner-Reformereinheit 28d einer Peripheriegerätevorrichtung 10d in einer schematischen Darstellung. Die Brenner-Reformereinheit 28d unterscheidet sich von dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel der 4 im Wesentlichen hinsichtlich einer Ausgestaltung einer Katalysatorstruktur. 5 shows a further embodiment of a burner reformer unit 28d a peripheral device 10d in a schematic representation. The burner reformer unit 28d differs from the previous embodiment of FIG 4th essentially with regard to a configuration of a catalyst structure.

Die Brenner-Reformereinheit 28d weist einen Rohrbündelwärmeübertrager 38d auf. Der Rohrbündelwärmeübertrager 38d weist zumindest ein Katalysatornetz auf. Vorliegend weist der Rohrbündelwärmeübertrager 38d ein erstes Katalysatornetz 42d auf, welches auf einer einem Verbrennungsreaktor 32d einer Brennereinheit 16d zugewandten Seite angeordnet ist und welches zumindest einen Katalysator für eine katalytische Abgasnachbehandlung eines zweiten Teilstroms 48d eines Anodenabgasstroms (in 5 nicht gezeigt, vgl. 1 Anodenabgasstrom 26a) sowie eines Kathodenabgasstroms 80d umfasst. Der Rohrbündelwärmeübertrager 38d weist außerdem ein zweites Katalysatornetz 90d auf, welches auf einer einem Reformierungsreaktor 34d einer Reformereinheit 20d zugewandten Seite angeordnet ist und welches zumindest einen Katalysator zu einer Katalyse einer Dampfreformierung eines Brennstoff-Rezirkulationsgemischs 64d in ein Reformat 66d umfasst.The burner reformer unit 28d has a tube bundle heat exchanger 38d on. The tube bundle heat exchanger 38d has at least one catalyst network. In the present case, the tube bundle heat exchanger 38d a first catalyst mesh 42d on which on a combustion reactor 32d a burner unit 16d facing side is arranged and which at least one catalyst for a catalytic exhaust gas aftertreatment of a second partial flow 48d an anode exhaust stream (in 5 not shown, cf. 1 Anode exhaust stream 26a ) as well as a cathode exhaust stream 80d includes. The tube bundle heat exchanger 38d also has a second catalyst mesh 90d on which on a reforming reactor 34d a reformer unit 20d facing side is arranged and which at least one catalyst for a catalysis of a steam reforming of a fuel-recirculation mixture 64d into a reformate 66d includes.

6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Brenner-Reformereinheit 28e einer Peripheriegerätevorrichtung 10e in einer schematischen Darstellung. Das Ausführungsbeispiel der 6 zeigt eine weitere alternative Ausgestaltung einer Katalysatorstruktur. 6th shows a further embodiment of a burner reformer unit 28e a peripheral device 10e in a schematic representation. The embodiment of the 6th shows a further alternative embodiment of a catalyst structure.

Die Brenner-Reformereinheit 28e weist einen Rohrbündelwärmeübertrager 38e auf. Der Rohrbündelwärmeübertrager 38e weist zumindest einen Katalysatormonolithen auf. Vorliegend weist der Rohrbündelwärmeübertrager 38e einen ersten Katalysatormonolithen 44e auf, welcher auf einer einem Verbrennungsreaktor 32e einer Brennereinheit 16e zugewandten Seite angeordnet ist und welcher zumindest einen Katalysator für eine katalytische Abgasnachbehandlung eines zweiten Teilstroms 48e eines Anodenabgasstroms (in 6 nicht gezeigt, vgl. 1 Anodenabgasstrom 26a) sowie eines Kathodenabgasstroms 80e umfasst. Der Rohrbündelwärmeübertrager 38e weist außerdem einen zweiten Katalysatormonolithen 92e auf, welcher auf einer einem Reformierungsreaktor 34e einer Reformereinheit 20e zugewandten Seite angeordnet ist und welcher zumindest einen Katalysator zu einer Katalyse einer Dampfreformierung eines Brennstoff-Rezirkulationsgemischs 64e in ein Reformat 66e umfasst.The burner reformer unit 28e has a tube bundle heat exchanger 38e on. The tube bundle heat exchanger 38e has at least one catalyst monolith. In the present case, the tube bundle heat exchanger 38e a first catalyst monolith 44e on which on a combustion reactor 32e a burner unit 16e facing side is arranged and which at least one catalyst for a catalytic exhaust gas aftertreatment of a second partial flow 48e an anode exhaust stream (in 6th not shown, cf. 1 Anode exhaust stream 26a ) as well as a cathode exhaust stream 80e includes. The tube bundle heat exchanger 38e also has a second catalyst monolith 92e on, which is on a reforming reactor 34e a reformer unit 20e facing side is arranged and which at least one catalyst for a catalysis of a steam reforming of a fuel-recirculation mixture 64e into a reformate 66e includes.

Claims

Peripheral device device (10a; 10b; 10c; 10d; 10e) for a fuel cell unit (12a; 12b) with an air inlet duct (14a; 14b) for supplying fresh air to the fuel cell unit (12a; 12b), with a burner unit (16a; 16b; 16c; 16d; 16e), with a heat transfer element (18a; 18b) for transferring heat from the burner unit (16a; 16b; 16c; 16d; 16e) to the air inlet duct (14a; 14b) with a reformer unit (20a; 20b; 20c; 20d; 20e) with a fuel inlet channel (22a; 22b) for feeding fuel to the reformer unit (20a; 20b; 20c; 20d; 20e) and with a further heat exchanger element (24a; 24b) for transferring heat from a Anode exhaust gas flow (26a; 26b) from the fuel cell unit (12a; 12b) to the reformer unit (20a; 20b; 20c; 20d; 20e), characterized by a burner reformer unit (28a; 28b; 28c; 28d; 28e) in which a combustion reactor (32a; 32b; 32c; 32d; 32e) of the burner unit (16a; 16b; 16c; 16d; 16 e) and a reforming reactor (34a; 34b; 34c; 34d; 34e) of the reformer unit (20a; 20b; 20c; 20d; 20e) are integrated together.

Peripheral device device (10a; 10b; 10c; 10d; 10e) according to Claim 1 , characterized in that the burner reformer unit (28a; 28b; 28c; 28d; 28e) is provided to at least partially transfer an amount of heat occurring in the combustion reactor (32a; 32b; 32c; 32d; 32e) to the reforming reactor (34a; 34b , 34c; 34d; 34e).

Peripheral device device (10a; 10b) according to Claim 1 or 2 , characterized in that the burner reformer unit (28a; 28b) has a plate heat exchanger (36a; 36b) which is catalytically coated on both sides.

Peripheral device device (10c; 10d; 10e) according to one of the preceding claims, characterized in that the burner reformer unit (28c; 28d; 28e) has a tube bundle heat exchanger (38c; 38d; 38e).

Peripheral device (10c) according to Claim 4 , characterized in that the tube bundle heat exchanger (38c) has a catalyst bed (40c, 88c) on both sides.

Peripheral device (10d) according to Claim 4 or 5 , characterized in that the tube bundle heat exchanger (38d) has at least one catalyst network (42d, 90d).

Peripheral device device (10e) according to one of the Claims 4 until 6th , characterized in that the tube bundle heat exchanger (38e) has at least one catalyst monolith (44e, 92e).

Peripheral device device (10b) according to one of the preceding claims, characterized in that the further heat exchanger element (24b) is designed as a preheating zone (30b) within the reforming reactor (34b).

Peripheral device (10b) according to Claim 8 , characterized in that the Preheating zone (30b) is designed as a catalytically inactive area of the reforming reactor (34b).

Peripheral device device (10b) according to one of the preceding claims, characterized by a high-temperature recirculation fan (86b) for feeding a fuel-recirculation mixture (64b) of fuel and a first partial flow (46b) of the anode exhaust gas flow (26b) into the reforming reactor (34b).

Fuel cell system (50a; 50b) with at least one fuel cell unit (12a; 12b) and at least one peripheral device (10a; 10b; 10c; 10d; 10e) according to one of the preceding claims.