DE102021204734A1 - Fuel cell and method for operating the fuel cell - Google Patents
Fuel cell and method for operating the fuel cell Download PDFInfo
- Publication number
- DE102021204734A1 DE102021204734A1 DE102021204734.3A DE102021204734A DE102021204734A1 DE 102021204734 A1 DE102021204734 A1 DE 102021204734A1 DE 102021204734 A DE102021204734 A DE 102021204734A DE 102021204734 A1 DE102021204734 A1 DE 102021204734A1
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- fuel cell
- unit
- gas
- expansion unit
- anode
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
- H01M8/0662—Treatment of gaseous reactants or gaseous residues, e.g. cleaning
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
- H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
- H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
- H01M8/04156—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying with product water removal
- H01M8/04164—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying with product water removal by condensers, gas-liquid separators or filters
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
- C25B1/01—Products
- C25B1/02—Hydrogen or oxygen
- C25B1/04—Hydrogen or oxygen by electrolysis of water
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B15/00—Operating or servicing cells
- C25B15/02—Process control or regulation
- C25B15/021—Process control or regulation of heating or cooling
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B15/00—Operating or servicing cells
- C25B15/08—Supplying or removing reactants or electrolytes; Regeneration of electrolytes
- C25B15/087—Recycling of electrolyte to electrochemical cell
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
- H01M8/04067—Heat exchange or temperature measuring elements, thermal insulation, e.g. heat pipes, heat pumps, fins
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
- H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
- H01M8/04097—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with recycling of the reactants
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
- H01M8/04201—Reactant storage and supply, e.g. means for feeding, pipes
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04291—Arrangements for managing water in solid electrolyte fuel cell systems
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
- H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
- H01M2008/1293—Fuel cells with solid oxide electrolytes
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Automation & Control Theory (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren (56) zum Betrieb einer Brennstoffzelle (10), insbesondere einer Festoxidbrennstoffzelle, die wenigstens eine Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit (12) mit zumindest einer Anode umfasst, wobei als Anodenabgas ausgebildetes Rezirkulat in wenigstens einem Rückführmodul (18) von einem Anodengasausgang (14) der Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit (12) zu einem Anodengaseingang (16) der Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit (12) rezykliert wird.Es wird vorgeschlagen, dass in zumindest einem Betriebszustand in dem Rückführmodul (18) ein Fluid, insbesondere Wasser, mittels zumindest einer Expansionseinheit (32) expandiert, vorzugsweise verdampft, wird.The invention is based on a method (56) for operating a fuel cell (10), in particular a solid oxide fuel cell, which comprises at least one fuel cell and/or electrolyzer unit (12) with at least one anode, with recirculated material in the form of anode waste gas in at least one recirculation module ( 18) is recycled from an anode gas outlet (14) of the fuel cell and/or electrolyzer unit (12) to an anode gas inlet (16) of the fuel cell and/or electrolyzer unit (12). It is proposed that in at least one operating state in the recirculation module ( 18) a fluid, in particular water, is expanded, preferably evaporated, by means of at least one expansion unit (32).
Description
Stand der TechnikState of the art
Es ist bereits ein Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzelle vorgeschlagen worden, die wenigstens eine Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit mit zumindest einer Anode umfasst, wobei als Anodenabgas ausgebildetes Rezirkulat in wenigstens einem Rückführmodul von einem Anodengasausgang der Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit zu einem Anodengaseingang der Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit rezykliert wird.A method for operating a fuel cell has already been proposed, which comprises at least one fuel cell and/or electrolyzer unit with at least one anode, with recirculated material in the form of anode waste gas being passed in at least one recirculation module from an anode gas outlet of the fuel cell and/or electrolyzer unit to an anode gas inlet of the Fuel cell and / or electrolyzer unit is recycled.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzelle, insbesondere einer Festoxidbrennstoffzelle, die wenigstens eine Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit mit zumindest einer Anode umfasst, wobei als Anodenabgas ausgebildetes Rezirkulat in wenigstens einem Rückführmodul von einem Anodengasausgang der Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit zu einem Anodengaseingang der Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit rezykliert wird.The invention is based on a method for operating a fuel cell, in particular a solid oxide fuel cell, which comprises at least one fuel cell and/or electrolyzer unit with at least one anode, with recirculated material formed as anode waste gas in at least one recirculation module from an anode gas outlet of the fuel cell and/or electrolyzer unit is recycled to an anode gas inlet of the fuel cell and/or electrolyzer unit.
Es wird vorgeschlagen, dass in zumindest einem Betriebszustand in dem Rückführmodul ein Fluid, insbesondere Wasser, mittels zumindest einer Expansionseinheit überhitzt wird. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Verfahrens kann eine Rezyklierung von Anodenabgas besonders vorteilhaft erfolgen. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann die Brennstoffzelle für eine Rezyklierung von Anodenabgas, insbesondere je nach Anforderung an ein dynamisches Systemverhalten, vorteilhaft ohne oder lediglich mit geringer mechanischer Energiezuführung betrieben werden. Insbesondere kann durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung ein zu fördernder Volumenstrom von Anodenabgas vorteilhaft ohne oder lediglich mit geringer mechanischer Energiezuführung betrieben werden. Dadurch kann eine Brennstoffzelle mit einem vorteilhaft hohen, insbesondere elektrischen, Wirkungsgrad bereitgestellt werden. Vorzugsweise ist die Brennstoffzelle als eine stationäre Brennstoffzelle, beispielsweise als ein Heizungsmodul, ausgebildet. Alternativ kann die Brennstoffzelle als eine mobile Brennstoffzelle, beispielsweise in einem Fahrzeug, ausgebildet sein. Grundsätzlich kann das Verfahren auch für alternative Anwendungen eingesetzt werden, bei denen ein heißes Medium zu fördern ist. Vorzugsweise ist die Festoxidbrennstoffzelle eine „Solid Oxide Fuel Cell“. Besonders bevorzugt ist eine Wärme-Kraft-Nutzung in verfügbare Wärmeströme der Brennstoffzelle, insbesondere der Festoxidbrennstoffzelle, integriert. Unter einer „Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit“ soll vorzugsweise zumindest ein Teil, insbesondere eine Unterbaugruppe, einer Brennstoffzelle, insbesondere einer, insbesondere ebenen, Festoxidbrennstoffzelle, und/oder eines Elektrolyseurs, insbesondere eines Hochtemperaturelektrolyseurs, verstanden werden, insbesondere für stationäre oder mobile Anwendungen. Insbesondere kann die, insbesondere metallgestützte, Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit auch die gesamte Brennstoffzelle, insbesondere die gesamte Festoxidbrennstoffzelle, den gesamten Elektrolyseur, insbesondere den gesamten Hochtemperaturelektrolyseur, einen Stack aus Brennstoffzellen und/oder Elektrolyseuren und/oder einen Verbund mehrerer Stacks aus Brennstoffzellen und/oder Elektrolyseuren umfassen. Vorzugsweise ist die wenigstens eine vorzugsweise geträgerte, insbesondere metallgeträgerte, Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit dazu vorgesehen, einen Brennstoff unter Zuführung eines Oxidans in einem Verbrennungsprozess zu einer elektrischen Energiegewinnung zu verbrennen. Alternativ oder zusätzlich ist die wenigstens eine Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit dazu vorgesehen, in einem Trennungsprozess unter Zuführung elektrischer Energie ein Fluid in zumindest zwei Bestandteile zu zerteilen. Vorzugsweise umfasst die wenigstens eine Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit zumindest eine Elektrodeneinheit. Vorzugsweise umfasst die zumindest eine Elektrodeneinheit die zumindest eine Anode. Bevorzugt weist die zumindest eine Anode eine als Elektrodenschicht ausgebildete Funktionsschicht auf oder bildet diese aus. Vorzugsweise umfasst die zumindest eine Elektrodeneinheit zumindest eine Kathode. Bevorzugt weist die zumindest eine Kathode eine als Elektrodenschicht ausgebildete Funktionsschicht auf oder bildet diese aus. Vorzugsweise sind die zumindest eine Anode und die zumindest eine Kathode unmittelbar an dem mittels der wenigstens einen Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit durchgeführten Verbrennungsprozesses und/oder Trennungsprozesses beteiligt. Besonders bevorzugt sind die zumindest eine Kathode und die zumindest eine Anode zu einer Verwendung als Kathoden-Anoden-Paar vorgesehen. Vorzugsweise umfasst die zumindest eine Elektrodeneinheit zumindest ein Trennelement, insbesondere eine als Elektrolytschicht ausgebildete Funktionsschicht. Vorzugsweise ist das Trennelement zwischen der zumindest einen Anode und der zumindest einen Kathode angeordnet. Vorzugsweise ist die zumindest eine Anode und/oder die zumindest eine Kathode als Oxidanselektrode, insbesondere zu einem Kontakt mit einem Oxidans und/oder einem Spaltprodukt, ausgebildet. Vorzugsweise ist zumindest die zumindest eine Anode und/oder die zumindest eine Kathode als Brennstoffelektrode, insbesondere zu einem Kontakt mit einem Brennstoff, insbesondere einem Brenngas, und/oder einem weiteren Spaltprodukt, ausgebildet. Unter einem „Anodenabgas“ soll vorzugsweise ein Gasgemisch verstanden werden, welches nach Abschluss eines Verbrennungsprozesses und/oder Trennungsprozesses an der zumindest einen Anode aus der wenigstens eine Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit, insbesondere an dem Anodengasausgang, austritt. Unter einem „Rezirkulat“ soll insbesondere ein Gasgemisch verstanden werden, welches einem Verbrennungsprozess und/oder Trennungsprozess in der wenigstens einen Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit nach einem Verbrennungsprozess und/oder Trennungsprozess wieder zugeführt wird. Vorzugsweise enthält das Rezirkulat Brenngas, insbesondere Methan, welches in der wenigstens einen Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit nicht verbrannt wurde. Vorzugsweise enthält das Rezirkulat Wasser. Vorzugsweise enthält das Rezirkulat Kohlenstoffdioxid. Vorzugsweise sind Wasser und Kohlenstoffdioxid Reaktionsprodukte des Verbrennungsprozesses. Unter einem „Anodengaseingang“ soll insbesondere eine Eintrittsöffnung in eine Reaktionskammer der zumindest einen Anode verstanden werden. Unter einem „Anodengasausgang“ soll insbesondere eine Austrittsöffnung aus der Reaktionskammer der zumindest einen Anode verstanden werden. Unter einem „Rückführmodul“ soll vorzugsweise ein Modul verstanden werden, das dafür vorgesehen ist, aus der wenigstens einen Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit abgeführtes Rezirkulat der wenigstens einen Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit wieder zuzuführen. Vorzugsweise ist das Rückführmodul als ein fluidtechnisches Leitungssystem ausgebildet, welches mehrere fluidtechnische Bauteile und/oder Baugruppen umfasst. Unter einem „Betriebszustand“ soll vorzugsweise ein Zustand verstanden werden, in dem die wenigstens eine Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit für einen Verbrennungsprozess und/oder einen Trennungsprozess betrieben wird und das wenigstens eine Rückführmodul Rezirkulat von dem Anodengasausgang der wenigstens einen Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit zu dem Anodengaseingang der wenigstens einen Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit zurückleitet. Vorzugsweise ist das Fluid als Wasser, insbesondere Wasserdampf, ausgebildet. Alternativ kann das Fluid auch als ein Brennstoff, insbesondere Methanol, ausgebildet sein. Bevorzugt expandiert die zumindest eine Expansionseinheit das Fluid. Vorzugsweise ist die zumindest eine Expansionseinheit als ein Verdampfer ausgebildet. Besonders bevorzugt verdampft die zumindest eine Expansionseinheit das Fluid. Vorzugsweise überhitzt die zumindest eine Expansionseinheit das Fluid, insbesondere Wasser. Unter „überhitzen“ soll vorzugsweise verstanden werden, dass eine Temperatur des Wassers über die Siedetemperatur des Wassers bei einem entsprechenden Druck hinaus erhöht wird. Bevorzugt wird das Wasser in der als Verdampfer ausgebildeten Expansionseinheit von einem flüssigen in einen gasförmigen Zustand überführt. Vorzugsweise ist das mittels der als Verdampfer ausgebildeten Expansionseinheit überhitzte Wasser in zumindest einem Betriebszustand als überhitzter Dampf ausgebildet. Unter „überhitztem Dampf“ soll vorzugsweise ein Zustand von Wasser, insbesondere Wasserdampf, verstanden werden, bei dem Wasser, insbesondere der Wasserdampf, eine Temperatur oberhalb eines Siedepunkts des Wassers aufweist. Alternativ ist es jedoch denkbar, dass Wasser in der zumindest einen Expansionseinheit expandiert, aber nicht überhitzt wird und damit Nassdampf vorliegt.It is proposed that in at least one operating state in the recirculation module a fluid, in particular water, is overheated by means of at least one expansion unit. Due to the configuration of the method according to the invention, the anode waste gas can be recycled in a particularly advantageous manner. As a result of the configuration according to the invention, the fuel cell can advantageously be operated with little or no mechanical energy supply for recycling anode waste gas, in particular depending on the requirement for dynamic system behavior. In particular, as a result of the configuration according to the invention, a volume flow of anode waste gas to be conveyed can advantageously be operated without or only with little mechanical energy supply. As a result, a fuel cell with an advantageously high, in particular electrical, efficiency can be provided. The fuel cell is preferably designed as a stationary fuel cell, for example as a heating module. Alternatively, the fuel cell can be designed as a mobile fuel cell, for example in a vehicle. In principle, the method can also be used for alternative applications in which a hot medium is to be pumped. The solid oxide fuel cell is preferably a “solid oxide fuel cell”. Heat and power utilization is particularly preferably integrated into available heat flows of the fuel cell, in particular the solid oxide fuel cell. A “fuel cell and/or electrolyzer unit” should preferably be understood to mean at least a part, in particular a subassembly, of a fuel cell, in particular a solid oxide fuel cell, in particular a planar one, and/or an electrolyzer, in particular a high-temperature electrolyzer, in particular for stationary or mobile applications . In particular, the fuel cell and/or electrolyzer unit, in particular metal-supported, can also include the entire fuel cell, in particular the entire solid oxide fuel cell, the entire electrolyzer, in particular the entire high-temperature electrolyzer, a stack of fuel cells and/or electrolyzers and/or a combination of several stacks of fuel cells and / or include electrolysers. Preferably, the at least one preferably supported, in particular metal-supported, fuel cell and/or electrolyzer unit is provided to burn a fuel with supply of an oxidant in a combustion process to generate electrical energy. Alternatively or additionally, the at least one fuel cell and/or electrolyzer unit is provided for dividing a fluid into at least two components in a separation process with the supply of electrical energy. The at least one fuel cell and/or electrolyzer unit preferably comprises at least one electrode unit. The at least one electrode unit preferably comprises the at least one anode. The at least one anode preferably has or forms a functional layer designed as an electrode layer. The at least one electrode unit preferably comprises at least one cathode. The at least one cathode preferably has or forms a functional layer designed as an electrode layer. The at least one anode and the at least one cathode are preferably directly involved in the combustion process and/or separation process carried out by means of the at least one fuel cell and/or electrolyzer unit. The at least one cathode and the at least one anode are particularly preferably provided for use as a cathode-anode pair. The at least one electrode unit preferably comprises at least one separating element, in particular a functional layer designed as an electrolyte layer. The separating element is preferably arranged between the at least one anode and the at least one cathode. Preferably, the at least one anode and/or the at least one cathode is designed as an oxidant electrode, in particular for contact with an oxidant and/or a cleavage product. At least the at least one anode and/or the at least one cathode is preferably designed as a fuel electrode, in particular for contact with a fuel, in particular a fuel gas, and/or another fission product. Under an "Ano denabgas” should preferably be understood to mean a gas mixture which exits from the at least one fuel cell and/or electrolyzer unit, in particular at the anode gas outlet, after completion of a combustion process and/or separation process at the at least one anode. A “recirculate” is to be understood in particular as a gas mixture which is returned to a combustion process and/or separation process in the at least one fuel cell and/or electrolyzer unit after a combustion process and/or separation process. The recirculated material preferably contains fuel gas, in particular methane, which was not combusted in the at least one fuel cell and/or electrolyzer unit. The recirculated material preferably contains water. The recirculated material preferably contains carbon dioxide. Preferably, water and carbon dioxide are reaction products of the combustion process. An “anode gas inlet” is to be understood in particular as an inlet opening into a reaction chamber of the at least one anode. An “anode gas outlet” is to be understood in particular as an outlet opening from the reaction chamber of the at least one anode. A “return module” should preferably be understood to mean a module that is intended to feed recirculated material removed from the at least one fuel cell and/or electrolyzer unit back to the at least one fuel cell and/or electrolyzer unit. The return module is preferably designed as a fluid-technical line system which comprises a plurality of fluid-technical components and/or assemblies. An "operating state" should preferably be understood to mean a state in which the at least one fuel cell and/or electrolyzer unit is operated for a combustion process and/or a separation process and the at least one recirculation module recirculates from the anode gas outlet of the at least one fuel cell and/or Electrolyzer unit to the anode gas inlet of the at least one fuel cell and / or electrolyzer unit returns. The fluid is preferably in the form of water, in particular steam. Alternatively, the fluid can also be in the form of a fuel, in particular methanol. The at least one expansion unit preferably expands the fluid. The at least one expansion unit is preferably designed as an evaporator. The at least one expansion unit particularly preferably evaporates the fluid. The at least one expansion unit preferably overheats the fluid, in particular water. “Overheating” should preferably be understood to mean that a temperature of the water is increased above the boiling temperature of the water at a corresponding pressure. The water is preferably converted from a liquid to a gaseous state in the expansion unit designed as an evaporator. The water superheated by means of the expansion unit configured as an evaporator is preferably configured as superheated steam in at least one operating state. “Superheated steam” should preferably be understood to mean a state of water, in particular water vapor, in which water, in particular water vapor, has a temperature above the boiling point of water. Alternatively, however, it is conceivable that water expands in the at least one expansion unit, but is not overheated and wet steam is therefore present.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass in dem Rückführmodul ein flüssiges Fluid, insbesondere flüssiges Wasser, insbesondere mittels eines Kondensators, aus abgeführtem Rezirkulat abgeschieden wird. Durch diese Ausgestaltung kann das abgeführte Rezirkulat vorteilhaft einfach abgekühlt und ein flüssiges Fluid aus dem Rezirkulat abgeschieden werden. Dadurch kann vorteilhaft ein Arbeitsmedium für eine Kraft-Wärme-Kopplung bereitgestellt werden, welches bereits Teil einer Stoffzusammensetzung des Rezirkulats ist. Unter einem „abgeführten Rezirkulat“ soll vorzugsweise Rezirkulat verstanden werden, welches aus dem Anodengasausgang austritt. Vorzugsweise wird das flüssige Fluid in zumindest einem Betriebszustand in die zumindest eine Expansionseinheit eingespeist. Vorzugsweise wird das flüssige Wasser in zumindest einem Betriebszustand in die als Verdampfer ausgebildete Expansionseinheit eingespeist. Vorzugsweise wird das flüssige Fluid ohne Zufuhr von mechanischer Energie über eine geodätische Druckdifferenz von dem Kondensator in die zumindest eine Expansionseinheit gefördert.Furthermore, it is proposed that a liquid fluid, in particular liquid water, be separated from the recirculated material discharged in the return module, in particular by means of a condenser. As a result of this configuration, the recirculated material that has been removed can advantageously be simply cooled and a liquid fluid can be separated from the recirculated material. As a result, a working medium for a combined heat and power generation can advantageously be provided, which is already part of a substance composition of the recirculated material. A “discharged recirculate” should preferably be understood to mean recirculate which emerges from the anode gas outlet. The liquid fluid is preferably fed into the at least one expansion unit in at least one operating state. The liquid water is preferably fed into the expansion unit designed as an evaporator in at least one operating state. The liquid fluid is preferably conveyed from the condenser into the at least one expansion unit via a geodetic pressure difference without the supply of mechanical energy.
Ferner wird vorgeschlagen, dass die Expansionseinheit mit Restwärme zumindest einer Funktionseinheit, insbesondere Restwärme der wenigstens einen Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit, betrieben wird. Durch diese Ausgestaltung kann eine vorteilhaft effiziente Restwärmenutzung erreicht werden. Dadurch kann vorteilhaft auf einen zusätzlichen mechanischen und/oder elektrischen Energieeintrag zum Betrieb des Rückführmoduls verzichtet werden. Vorzugsweise überträgt die Expansionseinheit Wärme von der Restwärme der Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit an das in der Expansionseinheit befindliche, insbesondere flüssige, Fluid. Dadurch kann dem flüssigen Fluid thermische Energie zugeführt werden und es dadurch erhitzt, vorzugsweise verdampft, werden. Unter einer „Funktionseinheit“ kann eine Einheit verstanden werden, die in zumindest einem Betriebszustand eine bestimmte Funktion ausführt und dabei Wärme abgibt. Vorzugsweise ist die zumindest eine Funktionseinheit als eine Wärmequelle ausgebildet. Unter „Restwärme“ soll vorzugsweise Wärme verstanden werden, die bei einem Prozess der zumindest einen Funktionseinheit überschüssig ist und/oder dazu vorgesehen ist, an eine Umgebung abgegeben zu werden. Vorzugsweise ist die zumindest eine Funktionseinheit zum Betrieb der Brennstoffzelle notwendig. Vorzugsweise ist die zumindest eine Funktionseinheit Teil der Brennstoffzelle. Grundsätzlich kann die zumindest eine Funktionseinheit als die wenigstens eine Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit, als eine benachbarte Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit, als ein Wärmetauscher, als ein Reformer oder als ein anderes, einem Fachmann für geeignet erscheinendes Modul mit einer Wärmeabgabe ausgebildet sein. Dabei ist es denkbar, dass ein Kreuztausch von Restwärme zwischen mehreren Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheiten oder mehreren Brennstoffzellen erfolgt. Alternativ kann die zumindest eine Funktionseinheit auch als eine externe Einheit ausgebildet sein, die unabhängig von der Brennstoffzelle betrieben werden kann. Besonders bevorzugt ist die Restwärme als Abgaswärme der wenigstens einen Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit ausgebildet. Vorzugsweise wird die Expansionseinheit mit Abgaswärme der wenigstens einen Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit betrieben. Dadurch kann eine Abgaswärme der wenigstens einen Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit vorteilhaft verringert werden. Des Weiteren kann eine vorteilhaft effiziente Energienutzung erfolgen.Furthermore, it is proposed that the expansion unit is operated with residual heat from at least one functional unit, in particular residual heat from the at least one fuel cell and/or electrolyzer unit. An advantageously efficient use of residual heat can be achieved with this configuration. As a result, an additional mechanical and/or electrical energy input for operating the feedback module can advantageously be dispensed with. The expansion unit preferably transfers heat from the residual heat of the fuel cell and/or electrolyzer unit to the fluid, in particular liquid, located in the expansion unit. As a result, thermal energy can be supplied to the liquid fluid and it can thereby be heated, preferably evaporated. A “functional unit” can be understood to mean a unit that performs a specific function in at least one operating state and emits heat in the process. The at least one functional unit is preferably designed as a heat source. Under "Residual heat" should preferably be understood as heat that is excessive in a process of the at least one functional unit and/or is intended to be given off to an environment. The at least one functional unit is preferably necessary for the operation of the fuel cell. The at least one functional unit is preferably part of the fuel cell. In principle, the at least one functional unit can be designed as the at least one fuel cell and/or electrolyzer unit, as an adjacent fuel cell and/or electrolyzer unit, as a heat exchanger, as a reformer or as another module with a heat output that a person skilled in the art deems suitable . It is conceivable that a cross-exchange of residual heat takes place between a number of fuel cell and/or electrolyzer units or a number of fuel cells. Alternatively, the at least one functional unit can also be designed as an external unit that can be operated independently of the fuel cell. The residual heat is particularly preferably in the form of exhaust gas heat from the at least one fuel cell and/or electrolyzer unit. The expansion unit is preferably operated with exhaust gas heat from the at least one fuel cell and/or electrolyzer unit. As a result, exhaust gas heat from the at least one fuel cell and/or electrolyzer unit can be advantageously reduced. Furthermore, an advantageously efficient use of energy can take place.
Zudem wird vorgeschlagen, dass das expandierte, insbesondere verdampfte, Fluid, aus der Expansionseinheit in zumindest einem Betriebszustand als Treibgas für eine Strahlpumpe, die trockenes Rezirkulat und/oder Brenngas fördert, verwendet wird. Durch diese Ausgestaltung kann eine Kraft-Wärme-Kopplung besonders vorteilhaft zu einer Rückführung des Rezirkulats genutzt werden. Des Weiteren kann durch diese Ausgestaltung vorteilhaft erreicht werden, dass das in dem abgeführten Rezirkulat enthaltene Wasser als Arbeitsmedium für das Treibgas dient. Dadurch kann auf eine zusätzliche Zuführung von Stoffen vorteilhaft verzichtet werden. Des Weiteren kann durch diese Ausgestaltung eine vorteilhaft robuste und wartungsarme Förderung des trockenen Rezirkulats und/oder des Brenngases erreicht werden, da die Strahlpumpe zumindest im Wesentlichen keine beweglichen Elemente aufweist. Unter einer „Strahlpumpe“ soll vorzugsweise eine Pumpe verstanden werden, bei der eine Pumpwirkung durch einen Fluidstrahl, der insbesondere aus dem Treibgas gebildet ist, erzeugt wird, wobei der Fluidstrahl durch einen Impulsaustausch ein anderes Medium, das insbesondere als trockenes Rezirkulat und/oder Brenngas ausgebildet ist, ansaugt, beschleunigt und verdichtet. Unter einem „trockenen Rezirkulat“ soll vorzugsweise abgeführtes Rezirkulat ohne Wasseranteil verstanden werden. Vorzugsweise bildet das trockene Rezirkulat, welches von der Strahlpumpe gefördert wird, zumindest teilweise ein Sauggas aus. Vorzugsweise wird das Sauggas von der Strahlpumpe angesaugt. Bevorzugt wird der Strahlpumpe zumindest zeitweise Brenngas zugeführt. Vorzugsweise ist das Brenngas Teil des Sauggases.In addition, it is proposed that the expanded, in particular evaporated, fluid from the expansion unit is used in at least one operating state as a propellant gas for a jet pump that conveys dry recirculated material and/or fuel gas. With this configuration, a combined heat and power generation can be used particularly advantageously for returning the recirculated material. Furthermore, this configuration can advantageously ensure that the water contained in the discharged recirculated material serves as the working medium for the propellant gas. As a result, an additional supply of substances can advantageously be dispensed with. Furthermore, an advantageously robust and low-maintenance delivery of the dry recirculated material and/or the fuel gas can be achieved with this configuration, since the jet pump has at least essentially no moving elements. A "jet pump" should preferably be understood to mean a pump in which a pumping effect is generated by a fluid jet, which is formed in particular from the propellant gas, the fluid jet through an exchange of momentum another medium, in particular as dry recirculated material and/or fuel gas is formed, sucks in, accelerates and compresses. “Dry recirculated material” should preferably be understood to mean discharged recirculated material without any water content. Preferably, the dry recirculated material, which is conveyed by the jet pump, at least partially forms a suction gas. The suction gas is preferably sucked in by the jet pump. Fuel gas is preferably supplied to the jet pump at least at times. Preferably the fuel gas is part of the suction gas.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass in zumindest einem Betriebszustand rückzuführendes Rezirkulat in einem Wärmetauscher mittels der Wärme von abgeführtem Rezirkulat erwärmt wird. Durch diese Ausgestaltung kann ein vorteilhafter Wärmeaustausch zwischen dem abgeführten Rezirkulat und dem rückzuführenden Rezirkulat erreicht werden. Dadurch kann Wärme des abgeführten Rezirkulats vorteilhaft energieeffizient genutzt werden. Vorzugsweise weist das abgeführte Rezirkulat eine höhere Temperatur auf als das rückzuführende Rezirkulat. Unter einem „rückzuführenden Rezirkulat“ soll vorzugsweise Rezirkulat verstanden werden, welches mittels des Rückführmoduls dem Anodengaseingang zugeführt wird. Vorzugsweise enthält das rückzuführende Rezirkulat Brenngas, welches dem trockenen Rezirkulat beigemischt wurde.Furthermore, it is proposed that in at least one operating state, recirculated material to be returned is heated in a heat exchanger by means of the heat from removed recirculated material. An advantageous heat exchange between the discharged recirculated material and the recirculated material to be returned can be achieved with this configuration. As a result, heat from the recirculated material removed can be used in an advantageous, energy-efficient manner. The recirculated material removed preferably has a higher temperature than the recirculated material to be returned. A “recirculated material to be returned” should preferably be understood to mean recirculated material which is fed to the anode gas inlet by means of the recirculation module. The recirculated material to be returned preferably contains fuel gas which was admixed with the dry recirculated material.
Des Weiteren geht die Erfindung aus von einer Brennstoffzelle, insbesondere der zuvor genannten Brennstoffzelle, zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, mit der wenigstens einen Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit, die zumindest eine Anode aufweist, und mit dem wenigstens einen Rückführmodul zur Rezyklierung von als Anodenabgas ausgebildetem Rezirkulat. Es wird vorgeschlagen, dass das Rückführmodul zumindest eine Expansionseinheit, die insbesondere als ein Verdampfer ausgebildet ist, umfasst, die dazu vorgesehen ist, ein Fluid, insbesondere Wasser, zu expandieren, vorzugsweise zu verdampfen. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Brennstoffzelle kann eine Rezyklierung von Anodenabgas vorteilhaft energieeffizient erfolgen. Dadurch kann eine Brennstoffzelle mit einem vorteilhaft hohen, insbesondere elektrischen, Wirkungsgrad bereitgestellt werden. Vorzugsweise ist die zumindest eine Expansionseinheit als ein Wärmetauscher ausgebildet. Vorzugsweise ist die zumindest eine Expansionseinheit zu einer Wärmeübertragung mit einer Abgasleitung der wenigstens einen Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit gekoppelt. Vorzugsweise ist die zumindest eine Expansionseinheit dazu vorgesehen, das Fluid, insbesondere Wasser, zu verdampfen.Furthermore, the invention is based on a fuel cell, in particular the aforementioned fuel cell, for carrying out the method according to the invention, with the at least one fuel cell and/or electrolyzer unit, which has at least one anode, and with the at least one recirculation module for recycling as anode waste gas trained recirculation. It is proposed that the recirculation module comprises at least one expansion unit, which is designed in particular as an evaporator and is provided for expanding, preferably evaporating, a fluid, in particular water. Due to the configuration of the fuel cell according to the invention, anode waste gas can advantageously be recycled in an energy-efficient manner. As a result, a fuel cell with an advantageously high, in particular electrical, efficiency can be provided. The at least one expansion unit is preferably designed as a heat exchanger. The at least one expansion unit is preferably coupled to an exhaust gas line of the at least one fuel cell and/or electrolyzer unit for heat transfer. The at least one expansion unit is preferably provided for evaporating the fluid, in particular water.
Zudem wird vorgeschlagen, dass das Rückführmodul zumindest einen Wärmetauscher umfasst, der dazu vorgesehen ist, Wärme von abgeführtem Rezirkulat an rückzuführendes Rezirkulat und/oder Brenngas zu übertragen. Durch diese Ausgestaltung kann ein vorteilhafter Wärmeaustausch zwischen dem abgeführtem Rezirkulat und dem rückzuführenden Rezirkulat erreicht werden. Dadurch kann Wärme des abgeführten Rezirkulats energieeffizient genutzt werden. Ferner kann das rückzuführende Rezirkulat und/oder das Brenngas dadurch vorteilhaft energieeffizient erwärmt werden.In addition, it is proposed that the recirculation module comprises at least one heat exchanger which is provided for the purpose of transferring heat from recirculated material that has been removed to recirculated material and/or fuel gas that is to be returned. With this configuration, an advantageous heat exchange between the discharged recirculate and the recirculate to be returned. As a result, heat from the discharged recirculation can be used in an energy-efficient manner. Furthermore, the recirculated material to be returned and/or the fuel gas can be advantageously heated in an energy-efficient manner.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass das Rückführmodul zumindest einen Kondensator aufweist, der dazu vorgesehen ist, flüssiges Wasser aus dem abgeführten Rezirkulat abzuscheiden. Durch diese Ausgestaltung kann das abgeführte Rezirkulat vorteilhaft einfach abgekühlt und flüssiges Wasser aus dem Rezirkulat abgeschieden werden. Dadurch kann vorteilhaft ein Arbeitsmedium für eine Kraft-Wärme-Kopplung bereitgestellt werden, welches bereits Teil einer Stoffzusammensetzung des Rezirkulats ist.Furthermore, it is proposed that the recirculation module has at least one condenser, which is provided for separating liquid water from the recirculated material that is discharged. As a result of this configuration, the recirculated material that is removed can advantageously be simply cooled and liquid water can be separated from the recirculated material. As a result, a working medium for a combined heat and power generation can advantageously be provided, which is already part of a substance composition of the recirculated material.
Ferner wird vorgeschlagen, dass der Kondensator geodätisch höher als die zumindest eine Expansionseinheit angeordnet ist. Durch diese Ausgestaltung ist eine Einspeisung von flüssigem Fluid, insbesondere flüssigem Wasser, welches im Kondensator abgeschieden wurde, in die Expansionseinheit ohne mechanische Energiezuführung möglich. Dadurch kann ein vorteilhaft hoher Wirkungsgrad der Brennstoffzelle erreicht werden. Unter „geodätisch höher“ soll vorzugsweise verstanden werden, dass die Expansionseinheit in Gravitationsrichtung von dem Kondensator beabstandet ist, wobei die Expansionseinheit vorzugsweise einem Punkt, auf den die Gravitationsrichtung ausgerichtet ist, näher ist als der Kondensator. Vorzugsweise fließt das flüssige Fluid in zumindest einem Betriebszustand, selbsttätig aufgrund von Gravitationskräften in die Expansionseinheit.Furthermore, it is proposed that the condenser is arranged geodetically higher than the at least one expansion unit. This configuration makes it possible to feed liquid fluid, in particular liquid water, which has been separated in the condenser into the expansion unit without mechanical energy supply. As a result, an advantageously high degree of efficiency of the fuel cell can be achieved. By “geodesically higher” it is preferably to be understood that the expansion unit is spaced gravitationally from the condenser, wherein the expansion unit is preferably closer to a point at which the gravitational direction is aligned than the condenser. In at least one operating state, the liquid fluid preferably flows into the expansion unit automatically due to gravitational forces.
Zudem wird vorgeschlagen, dass das Rückführmodul zumindest ein Rückschlagventil umfasst, welches fluidtechnisch zwischen dem Kondensator und der Expansionseinheit angeordnet ist. Durch diese Ausgestaltung kann das Fluid in der zumindest einen Expansionseinheit vorteilhaft definiert überhitzt werden. Dadurch kann eine vorteilhaft selbsttätige Wärme-Kraft-Kopplung erreicht werden, die insbesondere keine externe Beeinflussung benötigt. Unter „fluidtechnisch“ soll vorzugsweise eine Verbindungseigenschaft verstanden werden, bei der zumindest zwei Bauteile oder Baugruppen so miteinander gekoppelt sind, dass zwischen ihnen ein Fluid, insbesondere Rezirkulat und/oder Brenngas, insbesondere ohne Fluidverlust, ausgetauscht werden kann.In addition, it is proposed that the recirculation module comprises at least one check valve, which is arranged fluidically between the condenser and the expansion unit. As a result of this configuration, the fluid in the at least one expansion unit can advantageously be superheated in a defined manner. As a result, an advantageously automatic heat-power coupling can be achieved which, in particular, does not require any external influence. "Fluidically" should preferably be understood to mean a connection property in which at least two components or assemblies are coupled to one another in such a way that a fluid, in particular recirculated material and/or fuel gas, can be exchanged between them, in particular without loss of fluid.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass das Rückführmodul zumindest eine Strahlpumpe umfasst, die fluidtechnisch mit der Expansionseinheit verbunden, der Expansionseinheit nachgeschaltet und dazu vorgesehen ist, rückzuführendes Rezirkulat und/oder Brenngas zu fördern. Durch diese Ausgestaltung kann eine Kraft-Wärme-Kopplung besonders vorteilhaft zu einer Rückführung des Rezirkulats genutzt werden. Des Weiteren kann durch diese Ausgestaltung eine vorteilhaft robuste und wartungsarme Förderung des trockenen Rezirkulats und/oder des Brenngases erreicht werden, da die Strahlpumpe zumindest im Wesentlichen keine beweglichen Elemente aufweist. Vorzugsweise ist die Strahlpumpe als ein Ejektor ausgebildet. Vorzugsweise ist die Strahlpumpe dazu vorgesehen, einen Unterdruck zu einer Ansaugung des Sauggases zu erzeugen. Vorzugsweise ist die Strahlpumpe dazu vorgesehen, das Sauggas gemeinsam mit dem Treibgas zu fördern.Furthermore, it is proposed that the recirculation module comprises at least one jet pump which is fluidically connected to the expansion unit, is connected downstream of the expansion unit and is intended to convey recirculated material and/or fuel gas to be recirculated. With this configuration, a combined heat and power generation can be used particularly advantageously for returning the recirculated material. Furthermore, an advantageously robust and low-maintenance delivery of the dry recirculated material and/or the fuel gas can be achieved with this configuration, since the jet pump has at least essentially no moving elements. The jet pump is preferably designed as an ejector. The jet pump is preferably provided to generate a negative pressure for sucking in the suction gas. The jet pump is preferably provided to convey the suction gas together with the propellant gas.
Ferner wird vorgeschlagen, dass die Strahlpumpe fluidtechnisch mit dem Kondensator verbunden ist. Durch diese Ausgestaltung kann trockenes Rezirkulat und/oder, insbesondere frisches, Brenngas vorteilhaft einfach und effizient von der Strahlpumpe angesaugt werden. Vorzugsweise ist ein Saugbereich der Strahlpumpe fluidtechnisch mit dem Kondensator verbunden.It is also proposed that the jet pump is fluidly connected to the condenser. As a result of this configuration, dry recirculated material and/or, in particular fresh, fuel gas can advantageously be drawn in easily and efficiently by the jet pump. Preferably, a suction area of the jet pump is fluidly connected to the condenser.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Brennstoffzelle sollen hierbei nicht auf die oben beschriebene Anwendung und Ausführungsform beschränkt sein. Insbesondere können das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Brennstoffzelle zu einer Erfüllung einer hierin beschriebenen Funktionsweise eine von einer hierin genannten Anzahl von einzelnen Elementen, Bauteilen und Einheiten sowie Verfahrensschritten 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 method according to the invention and the fuel cell according to the invention should not be limited to the application and embodiment described above. In particular, the method according to the invention and the fuel cell according to the invention can have a number of individual elements, components and units as well as method steps that differs from a number specified here in order to fulfill a function described herein. In addition, in the value ranges specified in this disclosure, values lying within the specified limits should also be considered disclosed and can be used as desired.
Figurenlistecharacter list
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Zeichnungen, 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 result from the following description of the drawing. In the drawings an embodiment of the invention is shown. The drawings, 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 further meaningful combinations.
Es zeigen:
-
1 eine erfindungsgemäße Brennstoffzelle in einer schematischen Darstellung und -
2 ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betrieb der Brennstoffzelle in einer schematischen Darstellung.
-
1 a fuel cell according to the invention in a schematic representation and -
2 an inventive method for operating the fuel cell in a schematic representation.
Beschreibung des AusführungsbeispielsDescription of the embodiment
In der
Die Brennstoffzelle 10 umfasst eine Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit 12. Die Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit 12 ist dazu vorgesehen, einen Brennstoff unter Zuführung eines Oxidans in einem Verbrennungsprozess zu einer elektrischen Energiegewinnung zu verbrennen. Der Brennstoff ist als ein Brenngas ausgebildet. Die Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit 12 weist im vorliegenden Fall eine nicht näher dargestellte Anode auf. Die Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit 12 umfasst im vorliegenden Fall eine nicht näher dargestellte Elektrodeneinheit. Die Elektrodeneinheit umfasst im vorliegenden Fall die Anode. Die Anode weist eine als Elektrodenschicht ausgebildete Funktionsschicht auf oder bildet diese aus. Die Elektrodeneinheit umfasst im vorliegenden Fall eine Kathode. Die Kathode weist eine als Elektrodenschicht ausgebildete Funktionsschicht auf oder bildet diese aus. Die Anode und die Kathode sind unmittelbar an dem mittels der Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit 12 durchgeführten Verbrennungsprozess beteiligt. Die Kathode und die Anode sind zu einer Verwendung als Kathoden-Anoden-Paar vorgesehen. Die Elektrodeneinheit umfasst im vorliegenden Fall ein Trennelement, das insbesondere als eine Elektrolytschicht ausgebildete Funktionsschicht ausgebildet ist. Das Trennelement ist zwischen der Anode und der Kathode angeordnet. Die Kathode ist als Oxidanselektrode, insbesondere zu einem Kontakt mit einem Oxidans und/oder einem Spaltprodukt, ausgebildet. Die Anode ist als Brennstoffelektrode, insbesondere zu einem Kontakt mit einem Brennstoff, insbesondere einem Brenngas, und/oder einem weiteren Spaltprodukt, ausgebildet. Die Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit 12 weist einen Anodengasausgang 14 auf. Die Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit 12 weist einen Anodengaseingang 16 auf.The
Die Brennstoffzelle 10 umfasst ein Rückführmodul 18 zur Rezyklierung von als Anodenabgas ausgebildetem Rezirkulat. Das Rückführmodul 18 ist dazu vorgesehen, abgeführtes Rezirkulat ohne zusätzliche mechanischen Energiezufuhr zu der Brennstoffzelle 10 von der Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit 12 wieder zu der Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit 12 zurückzuleiten. Das Rückführmodul ist dazu vorgesehen, mittels einer Wärme-Kraft-Kopplung Rezirkulat selbsttätig, insbesondere ohne Energiezufuhr zu der Brennstoffzelle 10, von der Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit 12 wieder zu der Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit 12 zu fördern. Ein elektrischer Wirkungsgrad der Brennstoffzelle 10 wird maßgeblich durch eine Brenngasnutzung bestimmt. Eine Rezyklierung von Anodenabgas bietet die Möglichkeit, die Brenngasnutzung in der Brennstoffzelle zu erhöhen. Zur Schaffung günstiger Reaktionsbedingungen ist eine Umwälzung eines ca. 600 °C heißen Gases auf einer Anodenseite, dem Anodenabgas, erforderlich. Das Rückführmodul 18 ist als ein fluidtechnisches Leitungssystem ausgebildet. Das Rückführmodul 18 ist dazu vorgesehen, aus der Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit 12 abgeführtes Anodenabgas als Rezirkulat der Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit 12 wieder zuzuführen. Das Rückführmodul 18 ist dazu vorgesehen, Rezirkulat von dem Anodengasausgang 14 zu dem Anodengaseingang 16 zu fördern. Das Anodenabgas tritt nach Abschluss eines Verbrennungsprozesses an der Anode aus der Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit 12, insbesondere an dem Anodengasausgang 14, aus. Das Anodenabgas ist als ein Rezirkulat ausgebildet. Das Rezirkulat wird dem Verbrennungsprozess in der Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit 12 nach einem Verbrennungsprozess wieder zugeführt. Das Rezirkulat enthält Brenngas, welches in der wenigstens einen Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit 12 in dem Verbrennungsprozess nicht verbrannt wurde. Das Brenngas ist im vorliegenden Fall Methan. Das Rezirkulat enthält Wasser. Das Rezirkulat enthält Kohlenstoffdioxid. Wasser und Kohlenstoffdioxid sind Reaktionsprodukte des Verbrennungsprozesses.The
Das Rückführmodul 18 umfasst einen Wärmetauscher 20. Der Wärmetauscher 20 ist über ein erstes Leitungselement 22 des Rückführmoduls 18 mit dem Anodengasausgang 14 fluidtechnisch verbunden. Der Wärmetauscher 20 ist dazu vorgesehen, abgeführtes Rezirkulat abzukühlen.The
Das Rückführmodul 18 umfasst einen Kondensator 24. Der Kondensator 24 ist über ein zweites Leitungselement 26 des Rückführmoduls 18 fluidtechnisch mit dem Wärmetauscher 20 verbunden. Das erste Leitungselement 22 und das zweite Leitungselement 26 sind über den Wärmetauscher 20 fluidtechnisch miteinander verbunden. Der Kondensator 24 ist dazu vorgesehen, ein flüssiges Fluid, insbesondere flüssiges Wasser, aus dem abgeführten Rezirkulat abzuscheiden.The
Das Rückführmodul 18 umfasst ein Rückschlagventil 28. Das Rückschlagventil 28 ist über ein drittes Leitungselement 30 des Rückführmoduls 18 fluidtechnisch mit dem Kondensator 24 verbunden.The
Das Rückführmodul 18 umfasst eine Expansionseinheit 32. Die Expansionseinheit 32 ist im vorliegenden Fall als ein Verdampfer ausgebildet. Die Expansionseinheit 32 ist über ein viertes Leitungselement 34 des Rückführmoduls 18 fluidtechnisch mit dem Rückschlagventil 28 verbunden. Das Rückschlagventil 28 ist fluidtechnisch zwischen dem Kondensator 24 und der Expansionseinheit 32 angeordnet. Das Rückschlagventil 28 ist dazu vorgesehen, einen Fluidstrom von der Expansionseinheit 32 zu dem Kondensator 24 zu blockieren. Das Rückschlagventil 28 ist dazu vorgesehen, einen Fluidstrom von dem Kondensator 24 zu der Expansionseinheit 32 ab einer definierten Druckschwelle in dem dritten Leitungselement 30 zu erlauben. Der Kondensator 24 ist geodätisch höher als die Expansionseinheit 32 angeordnet. Die Expansionseinheit 32 ist dazu vorgesehen, ein Fluid, insbesondere Wasser, zu expandieren. Die Expansionseinheit 32 ist dazu vorgesehen, Wasser zu verdampfen. Die Expansionseinheit 32 ist dazu vorgesehen, Wasser zu überhitzen. Die Expansionseinheit 32 ist als ein Wärmetauscher ausgebildet. Die Expansionseinheit 32 ist zu einer Wärmeübertragung mit einer Abgasleitung 36 der Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit 12 gekoppelt. Die Abgasleitung 36 ist dazu vorgesehen, Restwärme aus einem Abgas der Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit 12 in die Expansionseinheit 32 einzutragen.The
Das Rückführmodul 18 umfasst eine Strahlpumpe 38. Die Strahlpumpe 38 ist fluidtechnisch mit der Expansionseinheit 32 verbunden. Die Strahlpumpe 38 ist der Expansionseinheit 32 nachgeschaltet. Die Strahlpumpe 38 ist über ein fünftes Leitungselement 40 des Rückführmoduls 18 fluidtechnisch mit der Expansionseinheit 32 verbunden. Die Strahlpumpe 38 ist der Expansionseinheit 32 fluidtechnisch nachgeschaltet. Die Expansionseinheit 32 ist dazu vorgesehen, ein Treibgas für die Strahlpumpe 38 bereitzustellen. Die Strahlpumpe 38 ist dazu vorgesehen, rückzuführendes Rezirkulat und/oder Brenngas zu fördern. Die Strahlpumpe 38 ist als ein Ejektor ausgebildet. Die Strahlpumpe 38 ist dazu vorgesehen, einen Unterdruck zu einer Ansaugung eines Sauggases zu erzeugen. Die Strahlpumpe 38 ist dazu vorgesehen, das Sauggas gemeinsam mit dem Treibgas zu fördern.The
Die Strahlpumpe 38 ist fluidtechnisch mit dem Kondensator 24 verbunden. Die Strahlpumpe 38 ist über ein sechstes Leitungselement 42 des Rückführmoduls 18 fluidtechnisch mit dem Kondensator 24 verbunden. Ein Saugbereich 44 der Strahlpumpe 38 ist fluidtechnisch mit dem Kondensator 24 verbunden.The
Das Rückführmodul 18 umfasst ein Brenngasanschlusselement 46. Das Brenngasanschlusselement 46 ist zu einer Zuführung von frischem Brenngas zu dem sechsten Leitungselement 42 vorgesehen. Das Brenngasanschlusselement 46 ist an ein nicht näher dargestelltes Brenngasreservoir oder an eine, insbesondere externe, Gasleitung 48 angeschlossen. Das Rückführmodul 18 umfasst ein Regelungsventil 50, das zu einer Regelung einer Zufuhr von frischem Brenngas vorgesehen ist. Das Regelungsventil 50 ist fluidtechnisch zwischen dem Brenngasanschlusselement 46 und der Strahlpumpe 38 angeordnet.The
Die Strahlpumpe 38 ist über ein siebtes Leitungselement 52 des Rückführmoduls 18 fluidtechnisch mit dem Wärmetauscher 20 verbunden. Der Wärmetauscher 20 ist dazu vorgesehen, rückzuführendes Rezirkulat zu erwärmen. Der Wärmetauscher 20 ist dazu vorgesehen, Wärme von abgeführtem Rezirkulat an rückzuführendes Rezirkulat und/oder Brenngas zu übertragen. Der Wärmetauscher 20 ist über ein achtes Leitungselement 54 des Rückführmoduls 18 mit dem Anodengaseingang 16 fluidtechnisch verbunden. Das siebte Leitungselement 52 und das achte Leitungselement 54 sind über den Wärmetauscher 20 fluidtechnisch miteinander verbunden. Das erste Leitungselement 22 und das achte Leitungselement 54 sind über den Wärmetauscher 20 nicht fluidtechnisch miteinander verbunden.The
In der
In einem Abkühlverfahrensschritt 58 des Verfahrens 56 wird das abgeführte Rezirkulat abgekühlt. Das abgeführte Rezirkulat weist an dem Anodengasausgang 14 im vorliegenden Fall eine Temperatur von ca. 600 °C auf. Das abgeführte Rezirkulat weist an dem Anodengasausgang 14 im vorliegenden Fall einen Druck von ca. 1 bar auf. Das abgeführte Rezirkulat weist an in dem ersten Leitungselement 22 im vorliegenden Fall eine Temperatur von ca. 600 °C auf. Das abgeführte Rezirkulat weist in dem ersten Leitungselement 22 im vorliegenden Fall einen Druck von ca. 1 bar auf. Das abgeführte Rezirkulat wird mittels des Wärmetauschers 20 abgekühlt. Der Wärmetauscher 20 überträgt im vorliegenden Fall eine Wärme von 2300 W. Das abgeführte Rezirkulat weist in dem zweiten Leitungselement 26 eine Temperatur auf, die über einem Taupunkt liegt. Das abgeführte Rezirkulat weist in dem zweiten Leitungselement 26 im vorliegenden Fall eine Temperatur von ca. 140 °C auf. Das abgeführte Rezirkulat weist in dem zweiten Leitungselement 26 im vorliegenden Fall einen Druck von ca. 1 bar auf. Das abgeführte Rezirkulat weist einen geringeren Druck auf als das rückzuführende Rezirkulat.In a
In einem Kondensationsverfahrensschritt 60 des Verfahrens 56 wird ein flüssiges Fluid, das im vorliegenden Fall flüssiges Wasser ist, aus dem abgeführten Rezirkulat abgeschieden. Im Kondensator 24 wird das abgeführte Rezirkulat weiter abgekühlt, bis eine Temperatur erreicht ist, die zum Auskondensieren eines nennenswerten Wasseranteils führt. Das abgeführte Rezirkulat wird deutlich unter 100 °C abgekühlt. In dem Rückführmodul 18 wird flüssiges Wasser mittels des Kondensators 24 aus dem abgeführten Rezirkulat abgeschieden. Das flüssige Wasser ist als ein Kondensat ausgebildet. Der Kondensator 24 überträgt im vorliegenden Fall eine Wärme von ca. 2000 W. Das flüssige Wasser fließt, insbesondere selbsttätig, in das dritte Leitungselement 30. Das flüssige Wasser weist eine Temperatur unterhalb des Siedepunkts des Wassers auf. Das flüssige Wasser weist in dem dritten Leitungselement 30 im vorliegenden Fall eine Temperatur von ca. 69 °C auf. Das flüssige Wasser weist in dem dritten Leitungselement 30 im vorliegenden Fall einen Druck von ca. 1 bar auf. Das abgeführte Rezirkulat wird in dem Kondensationsverfahrensschritt 60 in flüssiges Fluid, insbesondere flüssiges Wasser, und in trockenes Rezirkulat aufgeteilt. Das trockene Rezirkulat wird in das sechste Leitungselement 42 geführt. Das trockene Rezirkulat weist in dem sechsten Leitungselement 42 im vorliegenden Fall eine Temperatur von ca. 69 °C auf. Das trockene Rezirkulat weist in dem sechsten Leitungselement 42 im vorliegenden Fall einen Druck von ca. 1 bar auf.In a
In einem Einspeisungsverfahrensschritt 62 des Verfahrens 56 wird das flüssige Fluid, insbesondere das flüssige Wasser, in die Expansionseinheit 32 eingespeist. Das flüssige Wasser wird in zumindest einem Betriebszustand in die Expansionseinheit 32 eingespeist. Das flüssige Wasser wird ohne Zufuhr von mechanischer Energie über eine geodätische Druckdifferenz von dem Kondensator 24 in die Expansionseinheit 32 gefördert. Eine Ausführung des Einspeisungsverfahrensschritts 62 ist abhängig von einer Wassermenge in dem dritten Leitungselement 30. Das flüssige Wasser läuft schubweise durch das Rückschlagventil 28 in die Expansionseinheit 32.In a
In einem Verdampfungsverfahrensschritt 64 des Verfahrens 56 wird das flüssige Fluid, insbesondere das flüssige Wasser, in der Expansionseinheit 32 erhitzt. Die Expansionseinheit 32 wird mit Restwärme zumindest einer Funktionseinheit betrieben. Im vorliegenden Fall ist die Funktionseinheit als die Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit 12 ausgebildet. Die Expansionseinheit 32 wird im vorliegenden Fall mit Restwärme, insbesondere Abgaswärme, der Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit 12 betrieben. Die Expansionseinheit 32 überträgt Wärme von der Restwärme der Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit 12 an das in der Expansionseinheit 32 befindliche Wasser. Die Expansionseinheit 32 überträgt im vorliegenden Fall eine Wärme von 1800 W. Dadurch kann das flüssige Fluid, insbesondere das flüssige Wasser, erhitzt werden. Die Abgasleitung 36 weist einen der Expansionseinheit 32 vorgeschalteten Abschnitt 66 und einen der Expansionseinheit 32 nachgeschalteten Abschnitt 68 auf. Das Abgas weist in dem vorgeschalteten Abschnitt 66 der Abgasleitung 36 im vorliegenden Fall eine Temperatur von ca. 236 °C auf. Das Abgas weist in dem vorgeschalteten Abschnitt 66 der Abgasleitung 36 im vorliegenden Fall einen Druck von ca. 1 bar auf. Das Abgas weist in dem nachgeschalteten Abschnitt 68 der Abgasleitung 36 im vorliegenden Fall eine Temperatur von ca. 172 °C auf. Das Abgas weist in dem nachgeschalteten Abschnitt 68 der Abgasleitung 36 im vorliegenden Fall einen Druck von ca. 1 bar auf. Das Abgas ist sowohl in dem vorgeschalteten Abschnitt 66 als auch in dem nachgeschalteten Abschnitt 68 gasförmig ausgebildet. In zumindest einem Betriebszustand wird in dem Rückführmodul 18 ein Fluid mittels der Expansionseinheit 32 expandiert. Das Fluid ist im vorliegenden Fall Wasser. Alternativ könnten jedoch auch andere, dem Fachmann für geeignet erscheinende Fluide, beispielsweise Methanol, eingesetzt werden. Im vorliegenden Fall wird in dem zumindest einen Betriebszustand in dem Rückführmodul 18 Wasser mittels der Expansionseinheit 32 verdampft. Im vorliegenden Fall wird in dem zumindest einen Betriebszustand in dem Rückführmodul 18 Wasser mittels der Expansionseinheit 32 überhitzt. Das mittels der Expansionseinheit 32 überhitzte Wasser ist in zumindest einem Betriebszustand als überhitzter Dampf ausgebildet. Der überhitzte Dampf weist in dem fünften Leitungselement 40 im vorliegenden Fall eine Temperatur von ca. 230 °C auf. Der überhitzte Dampf weist in dem fünften Leitungselement 40 im vorliegenden Fall einen Druck von ca. 4 bar auf. In der Expansionseinheit 32 verdampft das flüssige Wasser. Eine daraus resultierende Druckerhöhung schließt das Rückschlagventil 28 und das überhitzte Wasser tritt unter Druck als Treibgas in die Strahlpumpe 38 ein. Eine Verdampfungsenergie der Expansionseinheit 32 wird dem Abgas entnommen. Grundsätzlich wäre es denkbar, dass die Verdampfungsenergie nicht zu einer ausreichenden Überhitzung des Dampfes führt und es in der Strahlpumpe 38 zur Tröpfchenbildung kommt. Ein solches Betriebsverhalten kann beispielsweise vermieden werden, indem der Wärmetauscher 20 soweit über die Strahlpumpe 38 gezogen wird, dass der Dampf vor Austritt aus einer Düse der Strahlpumpe 38 ausreichend überhitzt ist. Grundsätzlich wäre es auch möglich, dass das flüssige Fluid, insbesondere flüssiges Wasser, in der Expansionseinheit 32 erhitzt und expandiert, aber nicht überhitzt wird. Dabei würde Nassdampf als Treibgas in die Strahlpumpe 38 eintreten.In an
Bei einer Förderung des Kondensats, insbesondere von dem dritten Leitungselement 30 zu der Strahlpumpe 38, wird keine mechanische Energie verbraucht. Eine Förderung des Kondensats pulsiert prinzipbedingt.When the condensate is conveyed, in particular from the
In einem Förderverfahrensschritt 70 des Verfahrens 56 wird die Strahlpumpe 38 betrieben. Das expandierte, insbesondere verdampfte, Fluid, insbesondere Wasserdampf, aus der Expansionseinheit 32 wird in zumindest einem Betriebszustand als Treibgas für die Strahlpumpe 38, die trockenes Rezirkulat und/oder Brenngas fördert, verwendet. Überhitzter Dampf aus der Expansionseinheit 32 wird in zumindest einem Betriebszustand als Treibgas für die Strahlpumpe 38 verwendet. Das Treibgas wird der Strahlpumpe 38 über das fünfte Leitungselement 40 über eine Druckdifferenz zugeführt. Die Strahlpumpe 38 fördert das trockene Rezirkulat und/oder frisches Brenngas. Die Strahlpumpe 38 saugt das Sauggas, das insbesondere als trockenes Rezirkulat und/oder Brenngas ausgebildet ist, an. Das trockene Rezirkulat, welches von der Strahlpumpe 38 gefördert wird, bildet zumindest teilweise das Sauggas aus. Das rückzuführende Rezirkulat weist in dem siebten Leitungselement 52 im vorliegenden Fall eine Temperatur von ca. 110 °C auf. Das rückzuführende Rezirkulat weist in dem siebten Leitungselement 52 im vorliegenden Fall einen Druck von ca. 1,075 bar auf.In a conveying
In einem Brenngaszuführungsverfahrensschritt 72 wird dem Rückführmodul 18 frisches Brenngas zugeführt. Frisches Brenngas wird dem trockenen Rezirkulat fluidtechnisch vor der Strahlpumpe 38 zugeführt. Das Brenngas wird dem trockenen Rezirkulat in dem sechsten Leitungselement 42 zugeführt. Das Brenngas wird dem trockenen Rezirkulat fluidtechnisch zwischen dem Kondensator 24 und der Strahlpumpe 38 zugeführt. Dabei ist der Druck vorteilhaft besonders niedrig. Der Strahlpumpe 38 wird zumindest zeitweise Brenngas zugeführt. Der Brenngaszuführungsverfahrensschritt 72 ist unabhängig von anderen Verfahrensschritten des Verfahrens 56. Das Brenngas ist Teil des Sauggases. Das frische Brenngas weist in dem Brenngasanschlusselement 46 im vorliegenden Fall eine Temperatur von ca. 45 °C auf. Das frische Brenngas weist in dem Brenngasanschlusselement 46 im vorliegenden Fall einen Druck von ca. 1 bar auf.Fresh fuel gas is supplied to the
In einem Erwärmungsverfahrensschritt 74 des Verfahrens 56 wird das rückzuführende Rezirkulat erwärmt. In zumindest einem Betriebszustand wird rückzuführendes Rezirkulat in dem Wärmetauscher 20 mittels der Wärme des abgeführten Rezirkulats erwärmt. In dem achten Leitungselement 54 wird ein Gegenstrom zu dem ersten Leitungselement 22 geführt. Das abgeführte Rezirkulat weist eine höhere Temperatur auf als das rückzuführende Rezirkulat. Das rückzuführende Rezirkulat enthält frisches Brenngas, welches dem trockenen Rezirkulat beigemischt wird. Das rückzuführende Rezirkulat weist in dem achten Leitungselement 54 im vorliegenden Fall eine Temperatur von ca. 500 °C auf. Das rückzuführende Rezirkulat weist in dem achten Leitungselement 54 im vorliegenden Fall einen Druck von ca. 1,075 bar auf.In a
Die in der
Grundsätzlich wäre es bei einer alternativen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle 10 denkbar, dass das Rückführmodul 18 anstelle des Rückschlagventils 28 eine kleine Pumpe, insbesondere Speisepumpe, umfasst, die das flüssige Fluid, insbesondere das flüssige Wasser, kontinuierlich in die Expansionseinheit 32 fördert. Dadurch kann ein Pulsieren vorteilhaft vermieden werden. Dabei wäre geringe mechanische oder elektrische Energie zum Betrieb der Pumpe notwendig, die sich jedoch aufgrund des geringen Volumens des flüssigen Wassers vergleichsweise gering auf einen Gesamtwirkungsgrad der Brennstoffzelle 10 auswirken würde.Basically, in an alternative configuration of the
Des Weiteren wäre es grundsätzlich bei einer alternativen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle 10 denkbar, dass das Rückführmodul 18 eine weitere Expansionseinheit, die insbesondere als ein weiterer Verdampfer ausgebildet ist, und ein weiteres Rückschlagventil umfasst. Dabei bilden das Rückschlagventil 28 und die Expansionseinheit 32 einen ersten Kondensatpfad und das weitere Rückschlagventil und die weitere Expansionseinheit einen zweiten Kondensatpfad aus. Der erste Kondensatpfad ist dabei von dem zweiten Kondensatpfad getrennt ausgebildet. In dem ersten Kondensatpfad und in dem zweiten Kondensatpfad wird das Kondensat jeweils unabhängig voneinander expandiert, insbesondere überhitzt. Dabei können durch einen Verbau geeigneter Ventile beide Expansionseinheiten, beziehungsweise beide Kondensatpfade, abwechseln. Dadurch kann ein Pulsieren vorteilhaft vermieden werden.Furthermore, in an alternative configuration of the
Grundsätzlich wären auch andere konzeptionelle Ausgestaltungen von Rückführmodulen denkbar, die im folgenden Absatz aufgeführt sind. Diese anderen Ausgestaltungen von Rückführmodulen kommen jedoch nicht ohne mechanische Energiezuführung aus, wodurch der Gesamtwirkungsgrad der Brennstoffzelle 10 vermindert werden würde.In principle, other conceptual configurations of feedback modules would also be conceivable, which are listed in the following paragraph. However, these other configurations of feedback modules cannot do without a mechanical energy supply, which would reduce the overall efficiency of the
Grundsätzlich wäre es denkbar, dass ein alternatives Rückführmodul ein Niedertemperaturgebläse mit einem vorgeschalteten Wärmetauscher und einem nachgeschalteten Wärmetauscher zur temporären Abkühlung umfasst. Dabei ist ein aufwändiger Aufbau mit mehreren Wärmetauschern, Rohrleitungen und einem mechanischen Gebläse, das zudem regelmäßiger Wartung unterliegt, jedoch nachteilig. Des Weiteren wäre es grundsätzlich denkbar, dass ein alternatives Rückführmodul eine Strahlpumpe, insbesondere eine „Jet-Pump“, umfasst, die mit frischem Brenngas als Treibgas gespeist wird. Hierbei kommt die notwendige Bewegungsenergie aus einem Überdruck des eingespeisten Brenngases. Dabei ist der Wirkungsgrad der Strömungspumpe nachteilig, insbesondere weil bei einer stationären Brennstoffzelle in der Regel Methan aus einem Erdgasnetz als Energieträger verwendet wird, welches im Gegensatz zu Brenngasen zum Betrieb der Strahlpumpe aus Druckspeichern verdichtet werden müsste, wodurch eine zusätzliche Verdichtungsenergie bereitgestellt werden muss. Darüber hinaus besteht bei einer stationären Brennstoffzelle die Option des Betriebs mit Wasserstoff beziehungsweise einem Gemisch aus Wasserstoff und Methan. Hierbei ist ein Betrieb der Strahlpumpe jedoch schwierig, da eine Dichte von Wasserstoff gering ist und nur einen überschaubaren Impuls zur Beschleunigung des Sauggases bereitstellen kann. Ferner wäre es grundsätzlich denkbar, dass ein alternatives Rückführmodul ein Hochtemperaturgebläse umfasst. Wegen temperaturbedingter Werkstoffbelastungen ist eine Herstellung eines Hochtemperaturgebläses jedoch mit erheblichem Aufwand verbunden. Darüber hinaus ist das Fördern von heißem Gas energetisch kontraproduktiv, weil die erforderliche Leistung in erster Näherung proportional zum geförderten Volumen und damit proportional zur absoluten Temperatur des Mediums ist.Basically, it would be conceivable that an alternative recirculation module includes a low-temperature fan with an upstream heat exchanger and a downstream heat exchanger for temporary cooling. However, a complex structure with several heat exchangers, pipelines and a mechanical blower, which is also subject to regular maintenance, is disadvantageous. Furthermore, it would be fundamentally conceivable for an alternative recirculation module to include a jet pump, in particular a “jet pump”, which is fed with fresh fuel gas as the propellant gas. Here, the necessary kinetic energy comes from an overpressure of the fuel gas that is fed in. The efficiency of the flow pump is disadvantageous, in particular because in a stationary fuel cell, methane from a natural gas network is usually used as the energy carrier, which, in contrast to fuel gases, would have to be compressed from pressure accumulators to operate the jet pump, which means that additional compression energy must be provided. In addition, with a stationary fuel cell there is the option of operating with hydrogen or a mixture of hydrogen and methane. In this case, however, operation of the jet pump is difficult, since the density of hydrogen is low and can only provide a manageable impulse for accelerating the suction gas. It would also be conceivable in principle for an alternative recirculation module to include a high-temperature fan. Because of temperature-related stresses on the material, however, the production of a high-temperature blower involves considerable effort. In addition, conveying hot gas is counterproductive in terms of energy, because the power required is proportional to the volume conveyed and thus proportional to the absolute temperature of the medium.
Claims (12)
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102021204734.3A DE102021204734A1 (en) | 2021-05-11 | 2021-05-11 | Fuel cell and method for operating the fuel cell |
CN202210504209.6A CN115411316A (en) | 2021-05-11 | 2022-05-10 | Fuel cell and method for operating the fuel cell |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102021204734.3A DE102021204734A1 (en) | 2021-05-11 | 2021-05-11 | Fuel cell and method for operating the fuel cell |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE102021204734A1 true DE102021204734A1 (en) | 2022-11-17 |
Family
ID=83806309
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE102021204734.3A Pending DE102021204734A1 (en) | 2021-05-11 | 2021-05-11 | Fuel cell and method for operating the fuel cell |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN115411316A (en) |
DE (1) | DE102021204734A1 (en) |
Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP3609006A1 (en) | 2018-08-09 | 2020-02-12 | SOLIDpower SA | Sofc system with anode off-gas recirculation |
-
2021
- 2021-05-11 DE DE102021204734.3A patent/DE102021204734A1/en active Pending
-
2022
- 2022-05-10 CN CN202210504209.6A patent/CN115411316A/en active Pending
Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP3609006A1 (en) | 2018-08-09 | 2020-02-12 | SOLIDpower SA | Sofc system with anode off-gas recirculation |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN115411316A (en) | 2022-11-29 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
EP3281245B1 (en) | High temperature steam electrolysis arrangement or reversible high temperature solid oxide fuel cell and thermal management thereof | |
CN101326310B (en) | An electrolysis apparatus | |
EP2865045B1 (en) | Power station arrangement with high temperature storage unit | |
US8841041B2 (en) | Integration of an organic rankine cycle with a fuel cell | |
CN113278993A (en) | High-safety fuel cell electrolytic cell system and working method thereof | |
CN113278992A (en) | Water vapor turbocharged fuel cell electrolytic cell system and working method thereof | |
EP1974414A1 (en) | Method and system for operating a high-temperature fuel cell | |
DE102021204734A1 (en) | Fuel cell and method for operating the fuel cell | |
AT521208B1 (en) | Fuel cell system | |
DE102015119915A1 (en) | Method and device for operating a gas turbine with wet combustion | |
US20100285381A1 (en) | Method and apparatus for operating a fuel cell in combination with an orc system | |
DE102020102708B4 (en) | Gas turbine assembly and method of operating a gas turbine assembly | |
DE102019211593A1 (en) | Fuel cell device, method for operating such and motor vehicle | |
WO1997042673A1 (en) | High-temperature fuel cell plant and process for operating the same | |
CN115417467B (en) | Water-heat cogeneration system based on heat storage device and operation method | |
US20220356587A1 (en) | Optimised compression high temperature electrolyser system | |
DE102017107577A1 (en) | power plant | |
US20230392267A1 (en) | High temperature electrolyser system optimised by increasing the pressure at the electrolyser output | |
DE102022124572A1 (en) | Machine and method for its operation for the production or treatment of a fibrous web with a heat pump | |
DE10225557B4 (en) | Low-temperature fuel cell system and method for operating such | |
EP2702626B1 (en) | Internal steam generation for fuel cell | |
DE102020129356A1 (en) | METHOD AND EQUIPMENT FOR ENERGY RECOVERY FROM HEAT-CONDUCTING MEDIA | |
EP2667440A1 (en) | Fuel cell system and method for operating same | |
CN116085085A (en) | Peak regulating system and method for coal-fired power plant | |
EP3995673A1 (en) | Method and device for recovering energy from heat-conducting media |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R163 | Identified publications notified |