DE102021123184B3 - solid oxide fuel cell device - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung (100) mit mindestens einer Brennstoffzelle (104), an welche anodeneintrittseitig eine Anodenzufuhrleitung (108) zur Zufuhr eines Brennstoffs aus einem Brennstofftank (106) angeschlossen ist, und an welche anodenaustrittseitig eine Rezirkulationsleitung (110) angeschlossen ist, die zur Bildung eines Anodenkreislaufs (112) stromauf der Brennstoffzelle (104) wieder in die Anodenzufuhrleitung (108) mündet, um unverbrauchten Brennstoff der Brennstoffzelle (104) erneut zuzuführen, mit einem in die Rezirkulationsleitung (110) eingebundenen Flüssigkeitsablass (114) zugeordnet ist, um flüssiges Wasser aus dem Anodenkreislauf (112) auszuleiten, wobei die Rezirkulationsleitung (110) stromauf des Flüssigkeitsablasses (114) durch eine Reihenschaltung von wenigstens zwei Kondensationsstufen (116) geführt ist.The invention relates to a solid oxide fuel cell device (100) with at least one fuel cell (104) to which an anode supply line (108) for supplying fuel from a fuel tank (106) is connected on the anode inlet side, and to which a recirculation line (110) is connected on the anode outlet side , which to form an anode circuit (112) upstream of the fuel cell (104) again opens into the anode supply line (108) in order to supply unused fuel to the fuel cell (104) again, is associated with a liquid drain (114) connected to the recirculation line (110). in order to discharge liquid water from the anode circuit (112), the recirculation line (110) being guided upstream of the liquid outlet (114) through a series connection of at least two condensation stages (116).

Description

Die Erfindung betrifft eine Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung, die insbesondere auf die Nutzung von reinem Wasserstoff beschränkt ist.The invention relates to a solid oxide fuel cell device which is particularly limited to the use of pure hydrogen.

Brennstoffzellen dienen dazu, in einer chemischen Reaktion zwischen einem wasserstoffhaltigen Brennstoff und einem sauerstoffhaltigen Oxidationsmittel, in der Regel Luft, elektrische Energie bereitzustellen. Bei einer Festoxid-Brennstoffzelle (Solid Oxide Fuel Cell SOFC) besteht dabei eine Elektrolytschicht aus einem namensgebenden festen Werkstoff, z.B. keramischen yttriumdotierten Zirkoniumdioxid, der in der Lage ist, Sauerstoffionen zu leiten, während Elektronen nicht geleitet werden. Die Elektrolytschicht ist zwischen zwei Elektrodenschichten aufgenommen, nämlich der Kathodenschicht, der die Luft zugeführt wird, und der Anodenschicht, die mit dem Brennstoff versorgt wird, der durch H2, CO, CH4 oder ähnliche Kohlenwasserstoffe gebildet sein kann. Wird die Luft durch die Kathodenschicht zu der Elektrolytschicht geführt, nimmt der Sauerstoff zwei Elektronen auf und die gebildeten Sauerstoffionen O2- bewegen sich durch die Elektrolytschicht zu der Anodenschicht, wobei die Sauerstoffionen dort mit dem Brennstoff reagieren unter Bildung von Wasser und CO2. Kathodenseitig findet die folgende Reaktion statt: ½ O2 + 2e- → 2O2- (Reduktion/Elektronenaufnahme). An der Anode erfolgen beispielsweise die folgenden Reaktionen: H2 + O2- → H2O + 2 e- sowie CO + O2- → CO2 + 2e- (Oxidation/Elektronenabgabe). Eine Festoxid-Brennstoffzelle muss nicht planar gestaltet sein, sondern kann als Röhrchen ausgeführt sein; auch besteht zur Leistungssteigerung die Möglichkeit, mehrere Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel zusammen zu fassen. Festoxid-Brennstoffzellen benötigen hohe Temperaturen über 700°C, bei denen sie betrieben werden, so dass auch die Verwendung der Bezeichnung Hochtemperatur-Brennstoffzelle üblich ist. Die für eine ausreichende Leitfähigkeit der Elektrolytschicht erforderliche hohe Temperatur bedingt, dass im Startfall eine Erwärmung erforderlich ist und die erreichte Temperatur während des Betriebs gehalten werden muss, wozu auch die an der Brennstoffzellenreaktion teilnehmenden Reaktanten vorzukonditionieren sind.Fuel cells serve to provide electrical energy in a chemical reaction between a hydrogen-containing fuel and an oxygen-containing oxidizing agent, usually air. In a solid oxide fuel cell (SOFC), an electrolyte layer consists of a solid material that gives it its name, eg ceramic yttrium-doped zirconium dioxide, which is able to conduct oxygen ions while electrons are not conducted. The electrolyte layer is sandwiched between two electrode layers, namely the cathode layer, which is supplied with the air, and the anode layer, which is supplied with the fuel, which may be formed by H 2 , CO, CH 4 or similar hydrocarbons. If the air is conducted through the cathode layer to the electrolyte layer, the oxygen takes up two electrons and the oxygen ions O 2- formed move through the electrolyte layer to the anode layer, where the oxygen ions react with the fuel to form water and CO 2 . The following reaction takes place on the cathode side: ½ O 2 + 2e- → 2O 2- (reduction/electron acceptance). The following reactions, for example, take place at the anode: H 2 + O 2- → H 2 O + 2e - and CO + O 2- → CO 2 + 2e - (oxidation/donation of electrons). A solid oxide fuel cell does not have to be planar in design, but can be designed as a tube; it is also possible to combine several fuel cells in a fuel cell stack to increase performance. Solid oxide fuel cells require high temperatures above 700°C at which they operate, so the use of the term high temperature fuel cell is also common. The high temperature required for sufficient conductivity of the electrolyte layer means that heating is required when starting and the temperature reached must be maintained during operation, for which purpose the reactants participating in the fuel cell reaction must also be preconditioned.

In der JP 2008 293 701 A ist eine Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung beschrieben, bei der an einer anodenseitigen Auslassleitung ein Wasserabscheider vorliegt, sowie ein Speicher zur selektiven Speicherung einer Feuchtigkeit, die dann der Brennstoffzelle selbst wieder zur Verfügung gestellt werden kann.In the JP 2008 293 701 A a solid oxide fuel cell device is described in which there is a water separator on an anode-side outlet line, as well as a memory for the selective storage of moisture, which can then be made available again to the fuel cell itself.

In der US 2004 / 0 096 722 A1 ist eine Brennstoffzelle beschrieben, bei der anodenaustrittsseitig ein Wasserabscheider vorliegt, um Wasser zusammen mit Brennstoff auszuleiten, wobei stromab des Abscheiders eine Einrichtung vorliegt, um den Brennstoff aufzubereiten und um diesen stromauf der Brennstoffzelle wieder zuzuführen.In the U.S. 2004/0 096 722 A1 describes a fuel cell in which there is a water separator on the anode outlet side in order to discharge water together with fuel, with a device downstream of the separator being present in order to prepare the fuel and to feed it back in upstream of the fuel cell.

In der WO 2020 / 180 082 A1 wird eine Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung beschrieben, bei der eine aufwändige Aufbereitung des unverbrauchten Brennstoffs erfolgt.In the WO 2020 / 180 082 A1 a solid oxide fuel cell device is described in which there is a complex processing of the unused fuel.

Die nachveröffentlichte DE 10 2020 208 497 A1 sowie die DE 10 2016 215 973 A1 zeigen eine Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1.The Post-Released DE 10 2020 208 497 A1 as well as the DE 10 2016 215 973 A1 show a solid oxide fuel cell device having the features of the preamble of claim 1.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung bereitzustellen, die einen höheren Brennstoffumsetzungsgrad gegenüber denjenigen bereitstellt, die aus dem Stand der Technik bekannt sind.It is the object of the present invention to provide a solid oxide fuel cell device which provides a higher fuel conversion efficiency than those known from the prior art.

Diese Aufgabe wird durch eine Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.This object is achieved by a solid oxide fuel cell device having the features of claim 1. Advantageous configurations with expedient developments of the invention are specified in the dependent claims.

Die erfindungsgemäße Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung umfasst mindestens eine Brennstoffzelle oder einen Stapel aus einer Mehrzahl von Brennstoffzellen, wobei an die Brennstoffzelle anodeneintrittsseitig eine Anodenzufuhrleitung zur Zufuhr eines Brennstoffs aus einem Brennstofftank angeschlossen ist. Anodenaustrittsseitig ist an die Brennstoffzelle eine Rezirkulationsleitung angeschlossen, die zur Bildung eines Anodenkreislaufs stromauf der Brennstoffzelle wieder in die Anodenzufuhrleitung mündet, um unverbrauchten Brennstoff der Brennstoffzelle erneut zuzuführen. In die Rezirkulationsleitung ist ein Flüssigkeitsablass eingebunden, um flüssiges Wasser aus dem Anodenkreislauf auszuleiten, wobei der Brennstoff vorzugsweise nicht mitabgelassen wird. Die Rezirkulationsleitung ist stromauf des Flüssigkeitsablasses in einer Reihenschaltung durch wenigstens zwei Kondensationsstufen geführt, wobei wenigstens ein Kondensatorbypass vorliegt, in welchen zur Einstellung oder Regelung der Kondensatmenge ein Bypassstellglied eingebunden ist.The solid oxide fuel cell device according to the invention comprises at least one fuel cell or a stack of a plurality of fuel cells, an anode supply line for supplying fuel from a fuel tank being connected to the fuel cell on the anode inlet side. On the anode outlet side, a recirculation line is connected to the fuel cell, which flows back into the anode supply line to form an anode circuit upstream of the fuel cell in order to supply unused fuel to the fuel cell again. A liquid drain is integrated into the recirculation line in order to discharge liquid water from the anode circuit, with the fuel preferably not being drained at the same time. The recirculation line is routed upstream of the liquid outlet in a series connection through at least two condensation stages, with at least one condenser bypass being present, in which a bypass actuator is integrated for setting or regulating the amount of condensate.

Auf diese Weise lässt sich die Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung mit reinem Wasserstoff betreiben, bei der das Produktwasser anodenseitig anfällt und auch anodenseitig auszuleiten ist. Diffusionseffekte von Stickstoff von der Kathode auf die Anode, wie sie bei der Polyelektrolytmembran-Brennstoffzelle vorliegen, sind bei einer Festoxid-Brennstoffzelle (nahezu) nicht gegeben, sodass das von PEM-Brennstoffzellen bekannte Spülen zur Anhebung der Brennstoffkonzentration im Anodenkreislauf bei einer Festoxid-Brennstoffzelle nicht erforderlich ist. Bei der Feststoff-Brennstoffzelle ist lediglich das Produktwasser abzulassen, wobei gewährleistet sein sollte, dass dabei kein Brennstoff, nämlich Wasserstoff, aus dem Anodenkreislauf ausgeleitet wird. Um hierbei zu gewährleisten, dass das Flüssigwasser im Anodenkreislauf hinreichend kondensiert wird, sind die beiden Kondensationsstufen in die Rezirkulationsleitung eingebunden; und zwar stromauf des Flüssigkeitsablasses. Durch den Öffnungsgrad des als Bypassklappe oder als Bypassventil gebildeten Bypassstellglieds lässt sich die Kondensatmenge verändern, insbesondere einstellen oder regeln.In this way, the solid oxide fuel cell device can be operated with pure hydrogen, in which the product water occurs on the anode side and can also be discharged on the anode side. Diffusion effects of nitrogen from the cathode to the anode, as they exist in the polyelectrolyte membrane fuel cell, are (almost) non-existent in a solid oxide fuel cell, so that the scavenging known from PEM fuel cells Increasing the fuel concentration in the anode circuit is not required for a solid oxide fuel cell. In the solid fuel cell, only the product water needs to be drained, and it should be ensured that no fuel, namely hydrogen, is discharged from the anode circuit. In order to ensure that the liquid water in the anode circuit is sufficiently condensed, the two condensation stages are integrated into the recirculation line; namely upstream of the liquid outlet. The amount of condensate can be changed, in particular adjusted or regulated, by the degree of opening of the bypass control element formed as a bypass flap or as a bypass valve.

Es ist bei der Beschränkung des Betriebs der Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung mit Wasserstoff die Möglichkeit gegeben, dass die Anodenversorgung reformerfrei gebildet ist. Auf diese Weise wird die Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung deutlich weniger komplex gestaltet.When the operation of the solid oxide fuel cell device with hydrogen is restricted, there is the possibility that the anode supply is formed without a reformer. In this way, the solid oxide fuel cell device is made significantly less complex.

Vorzugsweise ist der Flüssigkeitsablass durch einen Wasserabscheider und ein dem Wasserabscheider zugeordnetes Ablassventil gebildet. Durch diesen Wasserabscheider kann eine vorgegebene Menge an Flüssigkeit vorgehalten werden, um zu vermeiden, dass Brennstoff über das Ablassventil austritt. Mit anderen Worten blockiert die Wasservorlage den Gasaustritt aus dem Anodenkreislauf. Dabei ist die Möglichkeit gegeben, dass der Wasserabscheider als ein integrierter Wasserabscheider mit einem darin integrierten Ablassventil gebildet ist.The liquid drain is preferably formed by a water separator and a drain valve assigned to the water separator. A predetermined amount of liquid can be held by this water separator in order to prevent fuel from escaping via the drain valve. In other words, the water seal blocks gas from escaping from the anode circuit. There is the possibility that the water separator is formed as an integrated water separator with a drain valve integrated therein.

Um die Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung noch weniger komplex zu bilden, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn an das Ablassventil eine Ablassleitung angeschlossen ist, die, insbesondere nachbrennerfrei, unmittelbar in eine kathodenseitige Abgasleitung mündet.In order to make the solid oxide fuel cell device even less complex, it has proven to be advantageous if a drain line is connected to the drain valve, which drain line, in particular without an afterburner, opens directly into an exhaust gas line on the cathode side.

Es ist die Möglichkeit gegeben, dass eine der Kondensationsstufen durch einen ersten Wärmeübertrager gebildet ist, durch welchen die Rezirkulationsleitung in einer wärmeleitenden Verbindung mit der Anodenzufuhrleitung steht. Ein so gebildeter Brennstoff/Brennstoff-Wärmeübertrager kühlt das Anodenabgas, wobei der frische Brennstoff am Anodeneintritt erwärmt wird. Ein solcher Wärmeübertrager ist für den thermischen Selbsterhalt der Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung notwendig. Er reicht typischerweise aber alleine nicht aus, sodass erfindungsgemäß wenigstens eine weitere Kondensationsstufe Einsatz findet.There is the possibility that one of the condensation stages is formed by a first heat exchanger, through which the recirculation line is in a thermally conductive connection with the anode supply line. A fuel/fuel heat exchanger formed in this way cools the anode exhaust gas, with the fresh fuel being heated at the anode inlet. Such a heat exchanger is necessary for the thermal self-support of the solid oxide fuel cell device. However, it is typically not sufficient on its own, so that at least one further condensation stage is used according to the invention.

Es ist daher von Vorteil, wenn eine der Kondensationsstufen durch einen zweiten Wärmeübertrager gebildet ist, durch welchen die Rezirkulationsleitung in einer wärmeleitenden Verbindung mit einer Kathodenzufuhrleitung am oder nahe am Ausgang eines Verdichters steht. Hierbei wird für die Kondensation dann die Verdichteraustrittsluft verwendet, was den Vorteil bietet, dass die Energie im System verbleibt und für die Erwärmung der Luft verwendet wird.It is therefore advantageous if one of the condensation stages is formed by a second heat exchanger, through which the recirculation line is in a thermally conductive connection with a cathode supply line at or near the outlet of a compressor. In this case, the compressor outlet air is then used for the condensation, which offers the advantage that the energy remains in the system and is used for heating the air.

Es ist alternativ oder ergänzend sinnvoll, wenn eine der Kondensationsstufen durch einen dritten Wärmeübertrager gebildet ist, durch welchen die Rezirkulationsleitung in einer wärmeleitenden Verbindung mit einer Kühlmittelleitung eines Kühlkreislaufs steht. Somit kann also ein Wärmeübertrager vorhanden sein, der mit dem Kühlkreislauf des Kraftfahrzeugs selbst, bei dem die Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung Einsatz findet, in wärmeleitenden Verbindung steht. Dies könnte beispielsweise dann notwendig werden, wenn die Kondensation mit der Luft nicht mehr ausreichend ist. Dies kann aber auch Vorteile hinsichtlich des zur Verfügung stehenden Bauraums haben. Die Regelung der Kondensatmenge ist in einer solchen Ausgestaltung beispielsweise über den Kühlmittelstrom möglich.Alternatively or additionally, it makes sense if one of the condensation stages is formed by a third heat exchanger, through which the recirculation line is in a thermally conductive connection with a coolant line of a cooling circuit. A heat exchanger can thus be present, which is in thermally conductive connection with the cooling circuit of the motor vehicle itself, in which the solid oxide fuel cell device is used. This could be necessary, for example, if condensation with the air is no longer sufficient. However, this can also have advantages in terms of the available installation space. In such a configuration, the amount of condensate can be regulated, for example, via the flow of coolant.

Es ist zusätzlich die Möglichkeit gegeben, dass stromab des Kondensatorbypasses und stromauf des Flüssigkeitsablasses ein Temperatursensor in die Rezirkulationsleitung eingebunden ist, wobei insbesondere auch eine Einstellung oder Regelung der Kondensatmenge auf Basis der vom Temperatursensor erfassten Werte möglich ist.It is also possible for a temperature sensor to be integrated into the recirculation line downstream of the condenser bypass and upstream of the liquid outlet, with the condensate quantity also being able to be set or controlled on the basis of the values recorded by the temperature sensor.

Es von Vorteil, wenn der Kondensatorbypass zwischen der ersten Kondensationsstufe und der zweiten Kondensationsstufe abzweigt, insbesondere deshalb, weil notwendig sein kann, dass wenigstens eine Kondensationsstufe oder wenigstens einer der Wärmeübertrager vorhanden ist, welcher für den thermischen Selbsterhalt der Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung notwendig und zweckmäßig ist.It is advantageous if the condenser bypass branches off between the first condensation stage and the second condensation stage, in particular because it may be necessary for at least one condensation stage or at least one of the heat exchangers to be present, which is necessary and useful for the thermal self-preservation of the solid oxide fuel cell device .

Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen als von der Erfindung umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind.The features and combinations of features mentioned above in the description and the features and combinations of features mentioned below in the description of the figures and/or shown alone in the figures can be used not only in the combination specified in each case, but also in other combinations or on their own, without going beyond the scope of the leave invention. Embodiments are therefore also to be regarded as included and disclosed by the invention which are not explicitly shown or explained in the figures, but which result from the explained embodiments and can be generated by means of separate combinations of features.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:

  • 1 eine schematische Darstellung einer Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung, und
  • 2 eine schematische Darstellung einer weiteren Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung.
Further advantages, features and details of the invention result from the claims and the following description of preferred embodiments tion forms and based on the drawings. show:
  • 1 a schematic representation of a solid oxide fuel cell device, and
  • 2 a schematic representation of another solid oxide fuel cell device.

In den 1 und 2 ist der zur Erläuterung der Erfindung erforderliche Teil einer Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung 100 gezeigt, die insbesondere in einem Brennstoffzellen-Fahrzeug verwendet werden kann. Die Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung 100 verfügt über einen Brennstoffzellenstapel 102 mit einer Mehrzahl von Brennstoffzellen 104, die zwar als Platten illustriert sind, aber auch als Röhrchen gestaltet sein können. Ferner ist ein Brennstofftank 106 vorhanden, in welchem Brennstoff, vorliegend insbesondere Wasserstoff bereit gehalten wird. Die Abgabe des Brennstoffs aus dem Brennstofftank 106 lässt sich über ein in eine Anodenzufuhrleitung 108 eingebundene Regelventil 150 einstellen. Anodeneintrittsseitig ist an die Brennstoffzelle 104 also die Anodenzufuhrleitung 108 zur Zufuhr des Brennstoffs aus dem Brennstofftank 106 angeschlossen. Anodenaustrittsseitig ist an die Brennstoffzelle 104 eine Rezirkulationsleitung 110 angeschlossen, die zur Bildung eines Anodenkreislaufs 112 stromauf der Brennstoffzelle 104 wieder in die Anodenzufuhrleitung 108 mündet, um unverbrauchten Brennstoff der Brennstoffzelle 104 erneut zuzuführen. Zur Rezirkulation von unverbrauchtem Brennstoff ist in die Rezirkulationsleitung 110 ein Rezirkulationsgebläse 146 eingebunden. Alternativ oder ergänzend kann auch eine nicht gezeigte Strahlpumpe Einsatz finden.In the 1 and 2 shows the part of a solid oxide fuel cell device 100 required to explain the invention, which can be used in particular in a fuel cell vehicle. The solid oxide fuel cell device 100 includes a fuel cell stack 102 having a plurality of fuel cells 104 which, while illustrated as plates, may be configured as tubes. There is also a fuel tank 106 in which fuel, in particular hydrogen in the present case, is kept ready. The delivery of the fuel from the fuel tank 106 can be adjusted via a control valve 150 integrated into an anode feed line 108 . On the anode inlet side, the anode supply line 108 for supplying the fuel from the fuel tank 106 is therefore connected to the fuel cell 104 . On the anode outlet side, a recirculation line 110 is connected to the fuel cell 104 , which flows back into the anode supply line 108 to form an anode circuit 112 upstream of the fuel cell 104 in order to supply unused fuel to the fuel cell 104 again. A recirculation fan 146 is integrated into the recirculation line 110 for the recirculation of unused fuel. Alternatively or additionally, a jet pump (not shown) can also be used.

Da als Brennstoff vorliegend reiner Wasserstoff genutzt wird, ist die Anodenversorgung insbesondere auch reformerfrei gebildet. Bei dieser Art einer Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung 100 fällt das Produktwasser auf der Anodenseite an, sodass es über einen Flüssigkeitsablass 114 aus dem Anodenkreislauf 112 auszuleiten ist. Der Flüssigkeitsablass 114 ist durch einen Wasserabscheider 118 und durch ein dem Wasserabscheider 118 zugeordnetes Ablassventil 120 gebildet.Since pure hydrogen is used as the fuel in the present case, the anode supply is in particular also formed without a reformer. With this type of solid oxide fuel cell device 100 , the product water accumulates on the anode side, so that it can be discharged from the anode circuit 112 via a liquid drain 114 . The liquid drain 114 is formed by a water separator 118 and by a drain valve 120 assigned to the water separator 118 .

Um zu gewährleisten, dass ein möglichst hoher Umsetzungsgrad des Brennstoffs vorliegt, wird die Rezirkulationsleitung 110 stromauf des Flüssigkeitsablasses in einer Reihenschaltung durch wenigstens zwei Kondensationsstufen 116 geführt. Die auskondensierte und abgeschiedene Flüssigkeit wird dabei über das Ablassventil 120 in eine Ablassleitung 122 gegeben, die nachbrennerfrei unmittelbar in eine kathodenseitige Abgasleitung 124 mündet.In order to ensure that the conversion of the fuel is as high as possible, the recirculation line 110 is routed upstream of the liquid outlet in a series connection through at least two condensation stages 116 . The condensed and separated liquid is fed via the drain valve 120 into a drain line 122, which opens directly into an exhaust gas line 124 on the cathode side without an afterburner.

Kathodenseitig liegt eine Kathodenzufuhrleitung 130 vor, in die ein Verdichter 132 zur Zufuhr von verdichteter Luft an den Brennstoffzellenstapel 102 eingebunden ist. Die Kathodenzufuhrleitung 130 wird durch einen Luft-Luft-Wärmeübertrager 148 geführt, um die Luft vor zu erwärmen, bevor sie dem Brennstoffzellenstapel 102 zugeleitet wird. Der Luft-Luft-Wärmeübertrager 148 nutzt dabei die warme, über die Abgasleitung 124 ausgeleitete Abluft für die Wärmeübertragung.On the cathode side there is a cathode supply line 130 into which a compressor 132 for supplying compressed air to the fuel cell stack 102 is integrated. The cathode supply line 130 is routed through an air-to-air heat exchanger 148 to preheat the air before it is supplied to the fuel cell stack 102 . The air-to-air heat exchanger 148 uses the warm exhaust air discharged via the exhaust pipe 124 for heat transfer.

In den beiden gezeigten Ausführungsbeispielen ist jeweils eine der Kondensationsstufen 116 durch einen ersten Wärmeübertrager 126 gebildet, durch welchen die Rezirkulationsleitung 110 in einer wärmeleitenden Verbindung mit der Anodenzufuhrleitung 108 steht.In each of the two exemplary embodiments shown, one of the condensation stages 116 is formed by a first heat exchanger 126, through which the recirculation line 110 is in a thermally conductive connection with the anode supply line 108.

In 1 ist eine weitere der Kondensationsstufen 116 durch einen zweiten Wärmeübertrager 128 gebildet, durch welchen die Rezirkulationsleitung 110 in einer wärmeleitenden Verbindung mit einer Kathodenzufuhrleitung 130 am oder nahe am Ausgang 134 des Verdichters 132 steht. Erst nach dem Durchlaufen beider Kondensationsstufen 116 gelangt aus dem Anodenabgas auskondensierte Flüssigkeit an dem Wasserabscheider 118 an, wo sie abgeschieden und anschließend über das Ablassventil 120 abgelassen werden kann. Dabei wird im Wasserabscheider 118 eine hinreichend große Flüssigkeitsvorlage vorgehalten, um zu verhindern, dass über das Ablassventil 120 auch der nochmals zu nutzende Brennstoff abgelassen wird.In 1 Another of the condensation stages 116 is formed by a second heat exchanger 128, through which the recirculation line 110 is in a thermally conductive connection with a cathode supply line 130 at or near the outlet 134 of the compressor 132. Only after it has passed through both condensation stages 116 does liquid condensed out of the anode waste gas reach the water separator 118 , where it can be separated and then drained via the drain valve 120 . A sufficiently large amount of liquid is kept in the water separator 118 to prevent the fuel that is to be used again from being drained via the drain valve 120 .

Ferner ist in 1 gezeigt, dass wenigstens ein Kondensatorbypass 140 vorliegt, in welchen zur Einstellung oder Regelung einer Kondensatmenge im Wasserabscheider 118 ein Bypassstellglied 142 eingebunden ist.Furthermore, in 1 shown that at least one condenser bypass 140 is present, in which a bypass actuator 142 is integrated to adjust or regulate the amount of condensate in the water separator 118 .

Stromab des Kondensatorbypasses 140 und stromauf des Flüssigkeitsablasses 114 ist in die Rezirkulationsleitung 110 ein Temperatursensor 144 eingebunden, sodass auch über die dabei gemessenen Temperaturwerte eine Einstellung oder Regelung der Kondensatmenge erfolgen kann. Es ist ferner zu erkennen, dass der Kondensatorbypass 140 zwischen der ersten Kondensationsstufe 116 und der zweiten Kondensationsstufe 116 abzweigt.A temperature sensor 144 is integrated into the recirculation line 110 downstream of the condenser bypass 140 and upstream of the liquid outlet 114, so that the temperature values measured in this way can also be used to set or regulate the amount of condensate. It can also be seen that the condenser bypass 140 branches off between the first condensation stage 116 and the second condensation stage 116 .

In 2 ist eine Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung 100 gezeigt, die in ihrem Aufbau annähernd demjenigen entspricht, wie er in der 1 gezeigt ist. Sie unterscheidet sich lediglich dadurch, dass die zweite Kondensationsstufe 116 durch einen dritten Wärmeübertrager 136 gebildet ist, durch welchen die Rezirkulationsleitung 110 in einer wärmeleitenden Verbindung mit einer Kühlmittelleitung 138 eines Kühlkreislaufs steht. Diese Ausgestaltung wird beispielsweise dann von Vorteil sein, wenn die Wärmeübertragung zwischen Luft und Luft am Verdichterausgang nicht mehr ausreicht, um die gewünschte Menge an Flüssigkeit auszukondensieren.In 2 a solid oxide fuel cell device 100 is shown, which corresponds in structure approximately to that as shown in FIG 1 is shown. It differs only in that the second condensation stage 116 is formed by a third heat exchanger 136, through which the recirculation line 110 is in a thermally conductive connection with a coolant line 138 of a cooling circuit. This design will be advantageous, for example, when the heat transfer between air and air at the compressor outlet is no longer sufficient to desired amount of liquid to condense out.

Es ist aber die Möglichkeit vorhanden, dass auch alle drei der Wärmeübertrager 126, 128, 136 Einsatz finden, um die gewünschte Kondensatmenge über den Wasserabscheider 118 auszuleiten. Der Einsatz weiterer Kondensationsstufen ist ebenfalls möglich.However, there is the possibility that all three of the heat exchangers 126 , 128 , 136 are also used in order to discharge the desired amount of condensate via the water separator 118 . The use of further condensation stages is also possible.

Im Ergebnis zeichnet sich die vorliegende Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung 100 durch einen wenig komplexen Aufbau aus. Die Nutzung von reinem Wasserstoff als Brennstoff bietet dabei den zusätzlichen Vorteil, dass auf einen Reformer verzichtet werden kann, wobei auch ein Nachbrenner auf der Kathodenseite nicht mehr erforderlich ist.As a result, the present solid oxide fuel cell device 100 features a less complex structure. The use of pure hydrogen as a fuel offers the additional advantage that a reformer can be dispensed with, and an afterburner on the cathode side is no longer required.

BezugszeichenlisteReference List

100100
Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtungsolid oxide fuel cell device
102102
Brennstoffzellenstapelfuel cell stack
104104
Brennstoffzellefuel cell
106106
Brennstofftankfuel tank
108108
Anodenzufuhrleitunganode supply line
110110
Rezirkulationsleitungrecirculation line
112112
Anodenkreislaufanode circuit
114114
Flüssigkeitsablassliquid drain
116116
Kondensationsstufecondensation stage
118118
Wasserabscheiderwater separator
120120
Ablassventildrain valve
122122
Ablassleitungdrain line
124124
Abgasleitungexhaust pipe
126126
erster Wärmeübertragerfirst heat exchanger
128128
zweiter Wärmeübertragersecond heat exchanger
130130
Kathodenzufuhrleitungcathode supply line
132132
Verdichtercompressor
134134
Ausgang (Verdichter)output (compressor)
136136
dritter Wärmeübertragerthird heat exchanger
138138
Kühlmittelleitungcoolant line
140140
Kondensatorbypasscapacitor bypass
142142
Bypassstellgliedbypass actuator
144144
Temperatursensortemperature sensor
146146
Rezirkulationsgebläserecirculation fan
148148
Luft-Luft-Wärmeübertrager (Luftvorwärmer)Air-to-air heat exchanger (air preheater)
150150
Regelventilcontrol valve

Claims (9)

Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung (100) mit mindestens einer Brennstoffzelle (104), an welche anodeneintrittseitig eine Anodenzufuhrleitung (108) zur Zufuhr eines Brennstoffs aus einem Brennstofftank (106) angeschlossen ist, und an welche anodenaustrittseitig eine Rezirkulationsleitung (110) angeschlossen ist, die zur Bildung eines Anodenkreislaufs (112) stromauf der Brennstoffzelle (104) wieder in die Anodenzufuhrleitung (108) mündet, um unverbrauchten Brennstoff der Brennstoffzelle (104) erneut zuzuführen, mit einem in die Rezirkulationsleitung (110) eingebundenen Flüssigkeitsablass (114), um flüssiges Wasser aus dem Anodenkreislauf (112) auszuleiten, wobei die Rezirkulationsleitung (110) stromauf des Flüssigkeitsablasses (114) in einer Reihenschaltung durch wenigstens zwei Kondensationsstufen (116) geführt ist, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Kondensatorbypass (140) vorliegt, in welchen zur Einstellung oder Regelung einer Kondensatmenge ein Bypassstellglied (142) eingebunden ist.Solid oxide fuel cell device (100) with at least one fuel cell (104) to which an anode supply line (108) for supplying fuel from a fuel tank (106) is connected on the anode inlet side, and to which a recirculation line (110) is connected on the anode outlet side, which is used for forming an anode circuit (112) upstream of the fuel cell (104) again opens into the anode supply line (108) in order to supply unused fuel to the fuel cell (104) again, with a liquid drain (114) integrated into the recirculation line (110) in order to drain liquid water from the anode circuit (112), the recirculation line (110) upstream of the liquid outlet (114) being routed in a series connection through at least two condensation stages (116), characterized in that there is at least one condenser bypass (140) in which, for setting or controlling a amount of condensate a bypass actuator (142). is bound. Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anodenversorgung reformerfrei gebildet ist.Solid oxide fuel cell device (100). claim 1 , characterized in that the anode supply is formed reformer free. Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Flüssigkeitsablass (114) durch einen Wasserabscheider (118) und ein dem Wasserabscheider (118) zugeordnetes Ablassventil (120) gebildet ist.Solid oxide fuel cell device (100). claim 1 or 2 , characterized in that the liquid drain (114) is formed by a water separator (118) and a drain valve (120) assigned to the water separator (118). Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung (100) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass an das Ablassventil (120) eine Ablassleitung (122) angeschlossen ist, die unmittelbar in eine kathodenseitige Abgasleitung (124) mündet.Solid oxide fuel cell device (100). claim 3 , characterized in that a drain line (122) is connected to the drain valve (120) and opens directly into an exhaust gas line (124) on the cathode side. Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Kondensationsstufen (116) durch einen ersten Wärmeübertrager (126) gebildet ist, durch welchen die Rezirkulationsleitung (110) in einer wärmeleitenden Verbindung mit der Anodenzufuhrleitung (108) steht.Solid oxide fuel cell device (100) according to any one of Claims 1 until 4 , characterized in that one of the condensation stages (116) is formed by a first heat exchanger (126), through which the recirculation line (110) is in a thermally conductive connection with the anode supply line (108). Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Kondensationsstufen (116) durch einen zweiten Wärmeübertrager (128) gebildet ist, durch welchen die Rezirkulationsleitung (110) in einer wärmeleitenden Verbindung mit einer Kathodenzufuhrleitung (130) am oder nahe am Ausgang (134) eines Verdichters (132) steht.Solid oxide fuel cell device (100) according to any one of Claims 1 until 5 , characterized in that one of the condensation stages (116) is formed by a second heat exchanger (128), through which the recirculation line (110) is thermally conductively connected to a cathode feed line (130) at or near the outlet (134) of a compressor (132 ) stands. Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Kondensationsstufen (116) durch einen dritten Wärmeübertrager (136) gebildet ist, durch welchen die Rezirkulationsleitung (110) in einer wärmeleitenden Verbindung mit einer Kühlmittelleitung (138) eines Kühlkreislaufs steht.Solid oxide fuel cell device (100) according to any one of Claims 1 until 6 , thereby characterized in that one of the condensation stages (116) is formed by a third heat exchanger (136), through which the recirculation line (110) is in a thermally conductive connection with a coolant line (138) of a cooling circuit. Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass stromab des Kondensatorbypasses (140) und stromauf des Flüssigkeitsablasses (114) ein Temperatursensor (144) in die Rezirkulationsleitung (110) eingebunden ist.Solid oxide fuel cell device (100) according to any one of Claims 1 until 7 , characterized in that downstream of the condenser bypass (140) and upstream of the liquid outlet (114), a temperature sensor (144) is integrated into the recirculation line (110). Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensatorbypass (140) zwischen der ersten Kondensationsstufe (116) und der zweiten Kondensationsstufe (116) abzweigt.Solid oxide fuel cell device (100) according to any one of Claims 1 until 8th , characterized in that the condenser bypass (140) branches off between the first condensation stage (116) and the second condensation stage (116).
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