DE10309794A1 - Fuel cell system with at least one fuel cell and a gas generating system - Google Patents

Fuel cell system with at least one fuel cell and a gas generating system Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle bzw. einem Brennstoffzellenstapel und einem Gaserzeugungssystem auf Basis eines autothermen Reformers, welches sehr einfach und effektiv aufgebaut ist. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass auf die gesamte Handhabung von flüssigem Wasser verzichtet wird. Das gesamte für den autothermen Reformer benötigte Wasser stammt aus dem Bereich der Brennstoffzelle, und hier insbesondere aus dem Kathodenabgas. Es wird als Wasserdampf dem Gaserzeugungssystem zugeführt. Der Wasserdampf kann beispielsweise mittels für Wasserdampf selektiv durchlässige Membranen aus dem Kathodenabgas zurückgewonnen werden. DOLLAR A Die bevorzugte Verwendung des Brennstoffzellensystems liegt aufgrund seiner hohen Effizienz, seiner einfachen und kompakten Bauweise und aufgrund des Entfalls der Frostschutzproblematik bevorzugt im Bereich von Transportmitteln, wie z. B. Fahrzeugen, zu Lande, im Wasser und in der Luft. Der Einsatz des Brennstoffzellensystems ist dabei sowohl in einer APU als auch in reinen oder hybriden Antriebssystemen mit Brennstoffzellen denkbar.The invention relates to a fuel cell system with a fuel cell or a fuel cell stack and a gas generating system based on an autothermal reformer, which is very simple and effective. This is inventively achieved by dispensing with the entire handling of liquid water. The entire water required for the autothermal reformer comes from the area of the fuel cell, and in particular from the cathode exhaust gas. It is supplied to the gas generating system as water vapor. The water vapor can be recovered, for example, by means of membranes selectively permeable to water vapor from the cathode exhaust gas. DOLLAR A The preferred use of the fuel cell system is due to its high efficiency, its simple and compact design and due to the elimination of frost protection problems preferably in the range of means of transport such. As vehicles, on land, in the water and in the air. The use of the fuel cell system is conceivable both in an APU and in pure or hybrid drive systems with fuel cells.

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit wenigstens einer Brennstoffzelle, insbesondere einer PEM-Brennstoffzelle, und einem Gaserzeugungssystem, welches aus Luft, Wasser und einem kohlenwasserstoffhaltigen Ausgangsstoff, insbesondere Benzin oder Diesel, mittels eines autothermen Reformers ein wasserstoffreiches Gas erzeugt.The invention relates to a fuel cell system with at least one fuel cell, in particular a PEM fuel cell, and a gas generating system, which consists of air, water and a hydrocarbon-containing starting material, in particular gasoline or Diesel, by means of an autothermal reformer a hydrogen-rich Gas generated.

Brennstoffzellensysteme, insbesondere solche auf der Basis einer PEM-Brennstoffzelle bzw. eines PEM-Brennstoffzellenstapels (PEM / Proton-Exchange-Membrane) werden sehr häufig mit Wasserstoff versorgt, welcher in Gaserzeugungssystemen üblicherweise aus kohlenwasserstoffhaltigen Einsatzstoffen, wie beispielsweise Methanol, Benzin, Diesel oder dergleichen, erzeugt wird. Derartige Systeme benötigen sowohl zur Befeuchtung der Membranen der Brennstoffzelle als auch zur Erzeugung des Wasserstoffs mittels Heißdampfreformierung oder autothermer Reformierung relativ große Wassermengen. Da bei derartigen Brennstoffzellensystemen nun Produktwasser als der primäre "Abfallstoff" der Umsetzung von Wasserstoff und Sauerstoff anfällt, ist es naheliegend, dieses Produkt Wasser zu verwenden, um den Wasserbedarf des Brennstoffzellensystems zu decken.Fuel cell systems, in particular those based on a PEM fuel cell or a PEM fuel cell stack (PEM / proton exchange membrane) are very often supplied with hydrogen, which in gas generating systems usually from hydrocarbon Starting materials, such as methanol, gasoline, diesel or the like is generated. Such systems require both for humidification the membranes of the fuel cell as well as for the production of hydrogen by hot steam reforming or autothermal reforming relatively large amounts of water. As with such Fuel cell systems now use product water as the primary "waste" of the implementation of Hydrogen and oxygen are produced, it is obvious to use this product water to the water needs to cover the fuel cell system.

Die aus dem Stand der Technik bekannten Systeme hierzu, wie beispielsweise das in der DE 199 43 059 A1 beschriebene Systemen zur Auskondensation einer Flüssigkeit aus einem Gas strom, sind dabei sehr aufwändig gestaltet und weisen zumindest einige Kondensatoren und dergleichen auf, so dass in dem System immer auch flüssiges Wasser bevorratet und gehandhabt werden muss.The known from the prior art systems for this purpose, such as that in the DE 199 43 059 A1 described systems for the condensation of a liquid from a gas stream, are designed very complex and have at least some capacitors and the like, so that in the system always liquid water has to be stored and handled.

Üblicherweise wird dieses gesammelte Wasser dann zur Befeuchtung der Kathodenzuluft in diese eingespritzt oder die Kathodenzuluft wird durch einen Wassertank geführt. Beispielhaft seinen hierzu die beiden Schriften DE 199 53 798 A1 und DE 199 53 802 A1 genannt. Das für den Bereich des Gaserzeugungssystem benötigt Wasser wird verdampft, wozu üblicherweise ein Zusatzbrenner bzw. katalytischer Brenner dient, welcher die hierfür benötigt thermische Energie bereitstellt.Typically, this collected water is then injected to humidify the Kathodenzuluft in this or the cathode feed is passed through a water tank. Exemplary to this the two writings DE 199 53 798 A1 and DE 199 53 802 A1 called. The water required for the area of the gas generating system is vaporized, to which usually an auxiliary burner or catalytic burner serves, which provides the thermal energy required for this purpose.

Durch die US 6,007,931 ist ein Brennstoffzellensystem entsprechend der oben gemachten Ausführungen beschrieben, bei dem über einen Brenner eine Verdampfung des zurückgewonnenen flüssigen Wassers stattfindet. Der Bereich der Kathode der Brennstoffzelle wird hierbei durch aus dem Abgas zurückgewonnenen Wasserdampf befeuchtet, welcher durch eine für Wasserdampf selektiv durchlässige Membran aus dem Abgasstrom von Anode und Kathode zurückgewonnen und der Kathodenzuluft zugeführt wird.By the US 6,007,931 is a fuel cell system described in accordance with the above statements, in which takes place via a burner evaporation of the recovered liquid water. The region of the cathode of the fuel cell is in this case humidified by water vapor recovered from the exhaust gas, which is recovered by a membrane selectively permeable to water vapor from the exhaust gas flow from the anode and cathode and fed to the cathode feed air.

Damit weist dieses System zwar eine Vereinfachung im Bereich der Befeuchtung der Kathodenzuluft auf, die aufwändige und komplexe Wasserrückgewinnung mit Kondensation und Verdampfung durch den Brenner bleibt jedoch erhalten.So this system has a Simplification in the field of humidification of the cathode feed, the elaborate and complex water recovery however, with condensation and evaporation through the burner remains receive.

Aus der DE 199 04 711 C2 ist ein Brennstoffzellensystem mit integrierter Wasserstofferzeugung bekannt. Hinsichtlich der oben genannten Problematik ist es bei diesem Brennstoffzellensystem vorgesehen, dass durch eine Kathodenabgas-Rückführleitung eine Nutzung des Kathodenabgases der Brennstoffzelle als Sauerstofflieferant für das Wasserstofferzeugungssystem genutzt wird. Zusätzlich zu dieser Nutzung als Sauerstofflieferant ergibt sich damit der Vorteil, dass das im Kathodenabgas enthaltene Wasser direkt im dampfförmigen Zustand den Komponenten des Wasserstofferzeugungssystems zugeführt werden kann.From the DE 199 04 711 C2 is a fuel cell system with integrated hydrogen production known. With regard to the above-mentioned problem, it is provided in this fuel cell system that use of the cathode exhaust gas of the fuel cell as an oxygen supplier for the hydrogen generation system is utilized by a cathode exhaust gas recirculation line. In addition to this use as an oxygen supplier, this results in the advantage that the water contained in the cathode exhaust gas can be supplied directly to the components of the hydrogen generation system in the vapor state.

Das durch diese Schrift beschriebene System weist dabei jedoch zwei entscheidende Nachteile auf. Aufgrund des sehr geringen Sauerstoffgehalts im Bereich des Kathodenabgases muss dieser mit Hilfe einer Sauerstoffanreicherung ausgeglichen werden. Eine derartige Sauerstoffanreicherung ist jedoch sehr aufwändig und bei kompakten Systemen, wie sie beispielsweise für Hilfsenergieerzeuger (APU / Auxiliary Power Unit) oder Antriebssysteme in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden, nicht oder nur mit sehr hohem Aufwand an Komponenten, Bauraum und letztendlich Kosten realisierbar.The one described by this writing However, the system has two major disadvantages. by virtue of the very low oxygen content in the region of the cathode exhaust gas this must be compensated with the help of an oxygenation. However, such oxygenation is very complex and in compact systems, such as those for auxiliary power generators (APU / Auxiliary Power Unit) or drive systems used in motor vehicles be, or only with very high expenditure of components, space and ultimately costs can be realized.

Ein weiteres Problem liegt darin, dass bei derartigen Brennstoffzellensystemen der gesamte Massenstrom der Kathodenrückführung ca. fünf mal so hoch wie der üblicherweise benötigte Volumenstrom an Edukten für die Wasserstoff- bzw. Gaserzeugungseinrichtung bzw. dem Reformer, ist. Um also ein derartiges System realisieren zu können, müssten alle Komponenten des Gaserzeugungssystems fünf mal größer als bisher ausgelegt werden, was entscheidende Nachteile hinsichtlich Bauraum, Gewicht und letztendlich Kosten mit sich bringt. Darüber hinaus würde der gravierende Nachteil entstehen, dass der Partialdruck des Wasserstoffs im Bereich der Anode der Brennstoffzelle dann unter 10 % sinken kann.Another problem is that in such fuel cell systems, the entire mass flow the cathode return approx. five times high as usual needed Volume flow of educts for the hydrogen or gas generating device or the reformer, is. In order to be able to realize such a system, everyone would have to Components of the gas generating system are designed to be five times larger than before, which decisive disadvantages in terms of space, weight and ultimately Costs. About that beyond the serious disadvantage arise that the partial pressure of hydrogen in the area of the anode of the fuel cell then fall below 10% can.

Aufgrund dieser genannten Nachteile ist in den Ausführungen der genannten DE-Schrift außerdem noch ein Wassertank beschrieben, so dass davon ausgegangen werden muss, dass hier offensichtlich nicht das gesamte Wasser für die Wasserstofferzeugungseinrichtung aus dem Bereich des Kathodenabgases stammt, sondern nur ein Teil, und dass auch flüssiges Wasser zum Beteiben des Reformers zugegeben wird.Because of these mentioned disadvantages is in the versions the aforementioned DE-font also described another water tank, so it can be assumed that obviously does not have all the water for the hydrogen generator here comes from the field of cathode exhaust gas, but only a part, and that too liquid Water is added to the tiling of the reformer.

Zum allgemeinen Stand der Technik soll außerdem auf ein Verfahren zur Kaskadierung von Brennstoffzellen hingewiesen werden, welches durch die DE 197 21 817 A1 beschrieben ist. Dabei wird das abgereicherte Brenngas aus den Zellen der vorgeschalteten Kaskadierungsstufe den Zellen der jeweils nachgeschalteten Kaskadierungsstufe zugeführt. Die einzelnen Kaskadierungsstufen sind so ausgebildet, dass den einzelnen Kaskadierungsstufen im wesentlichen die gleiche Absolutmenge an nicht verbrauchtem brennbaren Gas pro aktiver Zellfläche zugeführt wird.For the general state of the art should also be pointed to a method for cascading of fuel cells, which by the DE 197 21 817 A1 is described. In this case, the depleted fuel gas from the cells of the upstream cascading stage is supplied to the cells of the respectively downstream cascading stage. The individual cascading stages are designed so that the individual Kaskadierungsstu substantially the same absolute amount of unconsumed combustible gas is supplied per active cell area.

Ausgehend von dieser oben geschilderten Problematik ist es die Aufgabe der Erfindung, die Nachteile gemäß des Standes der Technik zu überwinden und ein kleines, kompaktes und einfaches Brennstoffzellensystem zu schaffen, welches darüber hinaus einen hohen Systemwirkungsgrad aufweist.Based on this problem described above It is the object of the invention, the disadvantages of the prior art overcome the technique and a small, compact and simple fuel cell system to create that over it has a high system efficiency.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.According to the invention this object is achieved by the dissolved in the characterizing part of claim 1 features.

Da erfindungsgemäß das gesamte, im Bereich des Gaserzeugungssystems benötigte Wasser als Wasserdampf aus dem Bereich der Brennstoffzelle in den Bereich des Gaserzeugungssystems geführt wird, entsteht der entscheidende Vorteil, dass auf sämtliche Einrichtungen zur Handhabung von flüssigem Wasser verzichtet werden kann. Durch diesen Verzicht auf die Einrichtungen zur Handhabung von flüssigem Wasser entfällt eine Vielzahl von Komponenten, welche bei herkömmlichen Systemen notgedrungen vorhanden sein müssen. Bei den vom Erfinder gemachten Berechnungen und Aufbauten hat sich ergeben, dass hierbei ca. zehn Komponenten aus dem Peripheriebereich, insbesondere Kondensatoren, Verdampfer und dergleichen, entfallen können.Since according to the invention the whole, in the area of Needed gas generating system Water as water vapor from the area of the fuel cell in the Area of the gas generating system, the crucial arises Advantage that on all Facilities for handling liquid water are dispensed with can. By doing without the facilities for handling liquid Water is eliminated a variety of components, which in conventional systems forced must be present. In the calculations and structures made by the inventor has become revealed that here about ten components from the periphery, In particular, capacitors, evaporators and the like, omitted can.

Zusätzlich zu diesem Wegfall der entsprechenden Komponenten zur Handhabung von flüssigem Wasser lässt sich außerdem die thermische Energie für die Verdampfung des für den autother men Reformer verwendeten Wassers einsparen. Eine solche Verdampfung des durch Kondensation zurückgewonnen Wassers ist bei herkömmlichen Systemen immer notwendig und wird meist durch die thermische Energieausbeute aus einem katalytischen Brenner, welcher z.B. die Abgase der Brennstoffzelle nachverbrennt, gewonnen. Bei einem eine elektrische Leistung von 5 kWel bereitstellenden Hilfsenergieerzeuger (APU), sind für die Verdampfung des für den autothermen Reformer benötigen Wassers beispielsweise rund 2 kWth an thermischer Energie notwendig.In addition to this omission of the corresponding components for handling liquid water can also save the thermal energy for the evaporation of the water used for the autother men reformer. Such evaporation of the recovered by condensation water is always necessary in conventional systems and is usually by the thermal energy yield from a catalytic burner, which, for example, the exhaust gases of the fuel cell burned, won. For an auxiliary power generator (APU) providing an electric power of 5 kW el , for example, about 2 kW th of thermal energy is necessary for the evaporation of the water required for the autothermal reformer.

Neben dem Vorteil dieser Einsparung an thermischen Energie kann außerdem bei der Gestaltung des Gaserzeugungssystems entsprechend einfacher vorgegangen werden, so dass hier neben dem autothermen Reformer und einem reinen Startbrenner für den Kaltstart des Gaserzeugungssystems keinerlei Brenner bzw. katalytischer Brenner benötigt werden, um thermische Energie bereitzustellen. Auch dadurch wird das Gaserzeugungssystem in vorteilhafter Weise weiter vereinfacht.Besides the advantage of this saving Thermal energy can also in the design of the gas generating system accordingly easier be done, so here in addition to the autothermal reformer and a pure starting burner for the cold start of the gas generating system no burner or catalytic Burners are needed to provide thermal energy. This also makes the gas generation system advantageously further simplified.

Letztendlich kann auf diese Art ein sehr kleines und einfaches kompaktes Brennstoffzellensystem erzeugt werden, welches, so haben die Berechnungen und Aufbauten des Erfinders gezeigt, bei dem oben genannten Beispiel einer 5 kWel-APU ein Volumen von weniger als 30 Litern bei einem Gewicht von weniger als 40 kg benötigt. Das so entstehende, kompakte und aufgrund des Verzichts auf eine Vielzahl von Komponenten gegenüber den Systemen des Standes der Technik sehr kostengünstige System erreicht dabei einen Systemwirkungsgrad von mehr als 35 %.Finally, in this way, a very small and simple compact fuel cell system can be produced which, as the inventor's calculations and constructions have shown, in the above example of a 5 kW el- APU has a volume of less than 30 liters with a weight of less than 40 kg needed. The resulting, compact and due to the absence of a variety of components compared to the systems of the prior art very cost-effective system achieves a system efficiency of more than 35%.

Durch den Verzicht auf flüssiges reines, für die Reformierung geeignetes Wasser entfallen außerdem sämtliche beim Stand der Technik immer wieder in Betracht zu ziehenden Probleme hinsichtlich der Forstbeständigkeit des Brennstoffzellensystems. Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem ist prinzipbe dingt auch bei Temperaturen deutlich unter 0°C funktionsfähig bzw. startbar, wie später noch erläutert wird.By dispensing with liquid pure, for the Reforming suitable water also accounts for all in the prior art again and again to be considered problems regarding the Forst resistance of the fuel cell system. The fuel cell system according to the invention is principle, even at temperatures well below 0 ° C functional or startable, as later explained becomes.

In einer besonders günstigen Ausgestaltungen der Erfindung wird der in den Bereich des Gaserzeugungssystems zurückgeführte Wasserdampf mittels für Wasserdampf selektiv durchlässigen Membranen zumindest aus dem Kathodenabgas der Brennstoffzelle abgetrennt.In a particularly favorable Embodiments of the invention will be within the scope of the gas generating system recycled water vapor by means of Selectively permeable to water vapor Membranes separated at least from the cathode exhaust gas of the fuel cell.

Dadurch wird eine sehr effiziente Rückführung des Wasserdampfs ermöglicht, da aufgrund der für Wasserdampf selektiv durchlässigen Membranen lediglich der Wasserdampf, gegebenenfalls mittels eines definierten Transportgasstroms, transportiert werden muss. Die benötigte Wasserdampf menge kann also sehr gezielt zurückgeführt werden, ohne dass dafür unnötig große Volumenströme bewegt werden müssen, was sich wiederum vorteilhaft auf die kompakte Ausgestaltung von Gasfördermitteln, wie Kompressoren oder dergleichen, auswirkt. Letztendlich wirkt sich dies dann wiederum positiv auf den Systemwirkungsgrad aus, da entsprechend größere Kompressoren aufgrund der größeren zu beschleunigenden Massen eine höhere Antriebsenergie benötigen würden.This will be a very efficient Return of the Allows steam, because of the for Selectively permeable to water vapor Membranes only the water vapor, optionally by means of a defined Transportgasstroms, must be transported. The required water vapor amount can therefore be returned in a very targeted manner, without that unnecessary size flow rates have to be moved which in turn is advantageous to the compact design of Gas conveyors, such as Compressors or the like, affects. Ultimately affects this in turn positive on the system efficiency, as appropriate larger compressors because of the bigger ones too accelerating masses a higher Need drive energy would.

Bei dieser Ausführung der Erfindung entsteht außerdem der Vorteil, dass aufgrund der selektiv für Wasserdampf durchlässigen Membranen und der hierdurch erfolgenden Befeuchtung der Kathodenzuluft kein flüssiges Wasser in den Bereich der Kathode gelangt, welches dort die Funktionalität der wenigstens einen Brennstoffzelle beeinträchtigen könnte.In this embodiment of the invention also arises the Advantage that due to the membranes selectively permeable to water vapor and the resulting humidification of the cathode supply no liquid Water enters the region of the cathode, which there the functionality of at least affect a fuel cell could.

Neben dem während des bestimmungsgemäßen Betriebs des Brennstoffzellensystems üblicherweise vorliegenden Normalfall, in welchem der benötigte Wasserdampf vollständig aus dem Kathodenabgas abgetrennt wird, kann, insbesondere im Kaltstartfall auch Wasser aus dem Bereich des Anodenabgases bzw. aus in einem Bypass um die Anode geführtem Brennerabgas mit zurückgewonnen werden.In addition to during normal operation of the fuel cell system usually present normal case in which the required water vapor is completely off the cathode exhaust gas is separated, can, especially in cold start Also water from the field of anode exhaust gas or in a Bypass led around the anode Burner exhaust with recovered become.

In einer besonders günstigen Weiterbildung dieser Ausgestaltung der Erfindung kann es außerdem vorgesehen sein, dass neben der Abtrennung des Wasserdampfs für das Gaserzeugungssystem auch die Befeuchtung des der wenigstens einen Brennstoffzelle kathodenseitig zugeführten Reaktionsstoffes, insbesondere Luft, durch das Kathodenabgas mittels für Wasserdampf selektiv durchlässigen Membranen erfolgt, wobei die Membranen für die Abtrennung und die Befeuchtung in einem Modul zusammengefasst sind.In a particularly favorable development of this embodiment of the invention, it may also be provided that, in addition to the separation of the water vapor for the gas generating system and the humidification of the at least one fuel cell cathode-side fed Reacti onsstoffes, in particular air, takes place through the cathode exhaust gas by means of membranes selectively permeable to water vapor, wherein the membranes for the separation and humidification are combined in one module.

Beispielsweise kann das Modul so ausgeführt sein, dass das Kathodenabgas auf der einen Seite des für Wasserdampf selektiv durchlässigen Membranen, z.B. im Inneren von Hohlfasermembranen, strömt, während diese Membranen auf ihrer dem feuchten Kathodenabgas abgewandten Seite durch zwei verschiedene, voneinander getrennte Räume laufen, in denen Befeuchtung des zur Kathode geführten Reaktionsstoffes in dem einen Raum und die Rückgewinnung von Wasserdampf für das Gaserzeugungssystem in dem anderen Raum realisiert ist. Ein derartiger Aufbau erlaubt wiederum eine sehr kompakte, leicht und platzsparende Bauweise, wobei die benötigen Leitungslängen und die damit zwangsläufig verbundene Energieverluste minimiert werden können.For example, the module can do so accomplished be that the cathode exhaust on one side of the for water vapor selectively permeable membranes, e.g. inside of hollow fiber membranes, flows while these membranes on their the moist cathode off-gas side by two different, separate rooms run in which humidification of the guided to the cathode reactant in the a room and the recovery of water vapor for the gas generating system is realized in the other room. On Such construction in turn allows a very compact, lightweight and space-saving construction, whereby the necessary line lengths and which inevitably associated energy losses can be minimized.

Der Wasserdampf kann gemäß einer sehr günstigen Weiterbildung der Erfindung durch ein Fördermittel in den Bereich des Gaserzeugungssystem transportiert werden.The water vapor can according to a very cheap Development of the invention by a funding in the field of Gas generating system to be transported.

Dieses Fördermittel würde dann entsprechend der benötigten Wassermenge einen Unterdruck erzeugen, durch welchen der Wasserdampf aus dem Bereich der Brennstoffzelle abgezogen und von der Fördereinrichtung in den Bereich des Gaserzeugungssystems gefördert wird. Bei der oben genannten Ausführung mit den für Wasserdampf selektiv durchlässigen Membranen, kann so reiner Wasserdampf, ohne oder mit einer minimalen Menge an inerten Gasbestandteilen zu dem autothermen Reformer gefördert werden.This funding would then according to the required Amount of water generate a negative pressure, through which the water vapor from deducted from the area of the fuel cell and from the conveyor is promoted to the area of the gas generating system. At the above execution with the for Selectively permeable to water vapor Membranes can be as pure water vapor, with or without a minimum Amount of inert gas components are promoted to the autothermal reformer.

Als alternative Ausgestaltung hierzu kann der Wasserdampf auch durch einen Transportgasstrom, welcher dann ebenfalls von dem Fördermittel bewegt werden würde, in den Bereich des Gaserzeugungssystem transportiert werden.As an alternative embodiment of this the water vapor can also by a transport gas flow, which then also moved from the conveyor would be be transported to the area of the gas generating system.

Falls ein derartiger Transportgasstrom eingesetzt wird, wäre es besondere vorteilhaft, wenn dieser Transportgasstrom durch die dem autothermen Reformer ohnehin zugeführte Luft gebildet wird. Durch diese Maßnahme kann dann wiederum Verdichterleistung für die zugeführte Luft eingespart werden, da diese Luft ohnehin durch ein geeignetes Fördermittel in den Bereich des autothermen Reformers gefördert werden müsste.If such a transport gas stream would be used it is particularly advantageous if this transport gas flow through the the autothermal reformer already supplied air is formed. By This measure In turn, compressor power for the supplied air can be saved, because this air anyway by a suitable funding in the field of promoted autothermal reformer would have to be.

Neben den eingangs bereits erwähnten Vereinfachungen des Gaserzeugungssystems, beispielsweise durch Wegfall der Verdampfung eines katalytischen Brenners und dergleichen, ergibt sich eine weitere Vereinfachung gemäß einer sehr vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems. Gemäß dieser Ausgestaltung ist in dem Gaserzeugungssystem zwischen wenigstens einer ersten Wassergasshiftstufe und einer weiteren Wassergasshiftstufe und/oder einer Feingasreinigung ein von einem Kühlmedium durchströmter Wärmetauscher in dem Reformatgasstrom vorgesehen, dessen Kühlleistung durch das Kühlmedium unabhängig regelbar ist.In addition to the above-mentioned simplifications the gas generating system, for example by eliminating the evaporation a catalytic burner and the like, there is another Simplification according to a very advantageous embodiment of the fuel cell system according to the invention. According to this Embodiment is in the gas generating system between at least a first Wassergasshiftstufe and another Wassergasshiftstufe and / or a fine gas cleaning a flowed through by a cooling medium heat exchanger provided in the reformate gas, the cooling capacity through the cooling medium independently is controllable.

Ein derartiger Aufbau des Gaserzeugungssystems mit einer oder zwei Shiftstufen und einer nachgeschalteten Feingasreinigung ist dabei prinzipiell bekannt. Es ist auch bekannt, dass ein Wärmetauscher nach der ersten Shiftstufe angeordnet wird, um die Temperatur für den Eintritt in die weitere Shiftstufe oder die Feingasreinigung entsprechen anzupassen.Such a construction of the gas generating system with one or two shift stages and a downstream fine gas cleaning is known in principle. It is also known that a heat exchanger after the first shift stage is arranged to the temperature for entry in the further shift stage or the fine gas cleaning correspond adapt.

Die Qualität der Feingasreinigung und gegebenenfalls der Gasumsatz in der zweiten Shiftstufe hängt im wesentlich von der hier eingestellten Temperatur ab. Um bei den bisherigen Systemen den Energieaufwand für die Verdampfung des flüssigen Wassers möglichst gering zu halten, ist bei allen Systemen, im Bereich dieses oben genannten Wärmetauschers, ein Vorwärmen des Wassers und gegebenenfalls ein teilweises Verdampfen desselben vorgesehen. Daraus ergibt sich nun jedoch die Problematik, dass die Temperatur in der Feingasreinigung oder der zweiten Shiftstufe bei einer derartigen Wasservorwärmung nicht unabhängig eingestellt werden kann, sondern dass diese unmittelbar von dem benötigten Wasser und dem Zustand des im Bereich des Wärmetauschers ankommenden Wasserstroms abhängt.The quality of the fine gas cleaning and optionally the gas conversion in the second shift stage depends essentially from the temperature set here. To be with the previous ones Systems the energy expenditure for the evaporation of the liquid water preferably is low on all systems, in the area of this above said heat exchanger, a preheat the water and optionally a partial evaporation of the same intended. However, the problem now arises that the temperature in the fine gas cleaning or the second shift stage in such a water preheating not independent can be adjusted, but that this directly from the required Water and the condition of the incoming water in the area of the heat exchanger depends.

Dadurch, dass gemäß der Erfindung auf ein Handling von Flüssigwasser vollkommen verzichtet werden kann, ergibt sich hier nun die Möglichkeit, diese Energie im Bereich des oben genannten Wärmetauschers durch ein Kühlmedium abzuführen. Da der Volumenstrom dieses Kühlmediums unabhängig von anderen Vorgängen im Bereich des Gaserzeugungssystems geregelt werden kann, wird die Regelung des gesamten Gaserzeugungssystems hierdurch deutlich vereinfacht und es ergibt sich außerdem der Vorteil, dass aufgrund der sehr exakt einstellbaren Temperatur im Bereich der zweiten Shiftstufe und/oder der Feingasreinigung eine hohe Wasserstofferzeugung und eine gute Reinigungsleistung der eingesetzten Feingasreinigungseinrichtung erzielt werden kann.Characterized in that according to the invention to a handling of liquid water can be completely dispensed with, here is the opportunity to this Energy in the area of the above-mentioned heat exchanger through a cooling medium dissipate. Since the volume flow of this cooling medium independent of other operations in the area of the gas generating system, the Control of the entire gas generating system thereby significantly simplified and it also results the advantage that due to the very precisely adjustable temperature in the area of the second shift stage and / or the fine gas cleaning a high hydrogen production and a good cleaning performance of used fine gas cleaning device can be achieved.

Gemäß einer sehr günstigen Weiterbildung hiervon, ist es vorgesehen, dass das Kühlmedium in allem Betriebszuständen des Brennstoffzellensystems flüssig vorliegt.According to a very favorable Further development thereof, it is provided that the cooling medium in all operating conditions the fuel cell system liquid is present.

Das flüssige Kühlmedium, z.B. aus einem mit einem Wasser-Glykol-Gemisch betriebenen Kühlkreislauf, erlaubt es, einen Wärmetauscher einzusetzen, bei dem das Gasförmige Reformat durch flüssiges Kühlmedium gekühlt wird. Derartige Wärmetauscher lassen sich dann bei den gegebnen Bedingungen, beim bereist mehrfach erwähnten Beispiels der 5kWel-APU wäre eine maximale Kühlleistung von weniger als maximal 700 Wth zu er warten, sehr klein und kompakt bauen. Durch die Kühlung eines Gases mittels einem flüssigen Kühlmedium lässt sich die Kühlleistung und damit die Temperatur des Reformatgases nach dem Wärmetauscher sehr gut zu regeln. Somit kann auch die Temperatur und damit die Qualität bzw. Ausbeute der Feingasreinigung bzw. der zweiten Shiftstufe ideal geregelt werden.The liquid cooling medium, for example from a operated with a water-glycol mixture cooling circuit, allows to use a heat exchanger in which the gaseous reformate is cooled by liquid cooling medium. Such heat exchangers can then be in the gegebnen conditions, in the case of several times mentioned example of the 5kW el -APU would be a maximum cooling capacity of less than a maximum of 700 W th to wait, very small and compact build. By cooling a gas by means of a liquid cooling medium can be the cooling performance and thus the temperature of the reformate gas after the heat exchanger to regulate very well. Thus, the temperature and thus the quality or yield of the fine gas cleaning or the second shift stage can be ideally controlled.

In einer sehr vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ist es vorgesehen, dass die Feingasreinigung als Methanisierung ausgebildet ist.In a very advantageous embodiment the fuel cell system according to the invention It is envisaged that the fine gas purification as methanation is trained.

Die Methanisierung ist als Reinigungsmethode für wasserstoffhaltiges Reformatgas allgemein bekannt. Dabei wird aus Kohlenmonoxid, welches für die Brennstoffzelle extrem schädlich ist und deren Elektrokatalysatoren vergiftet, also deren katalytisch aktive Zentren hemmt, und einem Teil des erzeugten Wasserstoffs Wasser und Methan gebildet. Dieses Wasser kommt dann wieder dem Gaserzeugungssystem zugute, das es durch die Membran der Brennstoffzelle treten und mit so aus dem Kathodenabgas wieder zurückgewonnen werden kann. Das Methan schadet der Brennstoffzelle nicht und kann nachfolgend z.B. bei einer APU in einem Fahrzeug oder einem Hybridantrieb mit einem Verbrennungsmotor diesem oder dessen Abgasanlage zugeführt werden.The methanation is as a cleaning method for hydrogenated Reformatgas generally known. This is made of carbon monoxide, which for the Fuel cell extremely harmful is and their electrocatalysts poisoned, so their catalytically active Centers inhibits, and part of the hydrogen produced water and methane formed. This water then comes back to the gas generating system benefit that occur through the membrane of the fuel cell and can be recovered with the so from the cathode exhaust gas again. The methane does not damage the fuel cell and may subsequently be e.g. at an APU in a vehicle or a hybrid drive with an internal combustion engine be supplied to this or its exhaust system.

Eine besonders für den Kaltstartfall sehr vorteilhafte Weiterbildung der erfinderischen Idee sieht vor, dass um den Anodenbereich der Brennstoffzelle eine Bypassleitung, zur Zuführung des erzeugten Gases in das Kathodenabgas der Brennstoffzelle vor der Abtrennung des Wasserdampfs, vorgesehen ist.A very advantageous especially for the cold start case Further development of the inventive idea provides that around the anode area the fuel cell, a bypass line, for supplying the generated gas in the cathode exhaust gas of the fuel cell before the separation of the water vapor, is provided.

Diese Bypassleitung wird im Kaltstartfall des Gaserzeugungssystems eine entscheidenden Rolle spielen. Üblicherweise erfolgt der Kaltstart des Gaserzeugungssystems durch eine zumindest teilweise Verbrennung des kohlenwasserstoffhaltigen Ausgangstoffes, z.B. in einem Startbrenner und/oder in dem dann als partielle Oxidationsstufe betrieben Reformer. Die dabei entstehenden Abgase können dem Anodenraum der Brennstoffzelle gegebenenfalls einerseits schaden, so dass der Bypass den Anodenraum der Brennstoffzelle entlastet. Andererseits enthalten die Abgase, wie die Abgase jeder Verbrennung eines des kohlenwasserstoffhaltigen Ausgangstoffes, zumindest teilweise dampfförmiges Wasser. Durch die Zusammenführung dieser Abgase mit dem Kathodenabgas der Brennstoffzelle vor der Abtrennung des Wasserdampfs, wird also auch der in den Abgasen des Startvorgangs des Gaserzeugungssystems enthaltene Wasserdampf bereits für den autothermen Reformer bzw. für den Übergang von einer zumindest teilweisen Verbrennung zur autothermen Reformierung genutzt.This bypass line is in cold start case of the gas generating system play a crucial role. Usually the cold start of the gas generating system by at least one partial combustion of the hydrocarbonaceous starting material, e.g. in a starting burner and / or then as a partial oxidation state operated reformers. The resulting exhaust gases can the If necessary, the anode compartment of the fuel cell may be damaged, so that the bypass relieves the anode compartment of the fuel cell. On the other hand, the exhaust gases, like the exhaust gases of each combustion one of the hydrocarbonaceous starting material, at least in part vaporous Water. By the merge this exhaust with the cathode exhaust gas of the fuel cell before the Separation of water vapor, so is also in the exhaust gases of the Starting process of the gas generating system contained water vapor already for the autothermal reformer or for the transition from at least partial combustion for autothermal reforming used.

Eine ausgesprochen vorteilhafte und günstige Weiterbildung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ist dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrodenbereich der wenigstens einen Brennstoffzelle in mehrere einzelne Abschnitte unterteilt ist, wobei dem Elektrodenbereich die Reaktionsstoffe, insbesondere Wasserstoff und Luft, in einer Menge zugeführt werden, welche größer als die Menge der im Elektrodenbereich umsetzbaren Reaktionsstoffe ist, und wobei die Abschnitte des Elektrodenbereichs so angeordnet sind, dass die Reaktionsstoffe zuerst eine erste Anzahl von Abschnitten der jeweiligen Elektrodenbereiche parallel und in Strömungsrichtung danach wenigstens eine weitere kleinere Anzahl an Abschnitten anströmen.A decidedly beneficial and favorable Further development of the fuel cell system according to the invention is characterized in that the electrode region of at least a fuel cell divided into several individual sections is, wherein the electrode area, the reactants, in particular Hydrogen and air, to be supplied in an amount which is greater than the amount of reactants that can be reacted in the electrode region is, and wherein the portions of the electrode area are arranged that the reactants first a first number of sections the respective electrode areas parallel and in the flow direction then flow to at least a further smaller number of sections.

Durch diese Kaskadierung der von den Reaktionsstoffen angeströmten Elektrodenbereiche, wobei es sich bei diesen Elektrodenbereichen gemäß eine sehr vorteilhaften Ausgestaltung dieser Idee insbesondere um die Anodenbereiche der wenigstens einen Brennstoffzelle handelt, werden sehr günstige Eigenschaften für den Betrieb der Brennstoffzelle erreicht. Da die Anodenbereich mit dem für diese erzeugten Wasserstoff angeströmt werden, wirken sich hier hohe Gesamtüberschüsse besonders nachteilig aus, das hierfür mit hohem Aufwand an Energie und Edukten, insbesondere Wasserdampf für die autotherme Reformierung, zuerst Wasserstoff erzeugt werden muss, welcher dann ungenutzt bleibt. Der Vorteil eines geringeren Überschusses wiegt hier also noch höher als bei der Kathodenseite, für welche lediglich etwas mehr Luft verdichtet werden muss, aus.Through this cascading of the reactants streamed Electrode areas, which are in these electrode areas according to a very advantageous embodiment of this idea in particular to the anode areas the at least one fuel cell, are very favorable properties for the Operation of the fuel cell achieved. Since the anode area with the for this generated hydrogen flowed high overall surpluses are particularly detrimental to for this with high expenditure of energy and Edukten, in particular water vapor for the autothermal reforming, first hydrogen must be generated, which then remains unused. The advantage of a lower surplus So it weighs even higher here as at the cathode side, for which only needs to be compressed slightly more air out.

Grundsätzlich ist es natürlich von Vorteil, die Elektrodenbereiche mit einem Überschuss der Reaktionsstoffe, insbesondere den Anodenbereich mit einem Überschuss an Wasserstoff, anzuströmen, um hier den Wasserstoffpartialdruck entsprechend hoch zu halten. Andererseits bedeutet dieser Überschuss an Wasserstoff immer auch einen Verlust an Wasserstoff einerseits und einen höheren Aufwand hinsichtlich der Gaserzeugung und damit letztendlich auch eine höhere zuzuführende Menge an Wasserdampf für den autothermen Reformer andererseits.Basically it is of course Advantage, the electrode areas with an excess of the reactants, especially the anode area with an excess of hydrogen, to flow around here to keep the hydrogen partial pressure high. on the other hand means this surplus Hydrogen always has a loss of hydrogen on the one hand and a higher one Effort in terms of gas production and thus ultimately a higher supplied Amount of water vapor for the autothermal reformer on the other.

Es ist also das Ziel einer entsprechenden Ausgestaltung der Elektrodenbereiche gemäß der oben genannten Ausführung, die einzelnen Abschnitte der Elektroden mit relativ hohem Überschuss an Reaktionsstoffen anzuströmen, während der Gesamtüberschuss dennoch minimiert werden soll.So it is the goal of a corresponding design the electrode areas according to the above mentioned execution, the individual sections of the electrodes with a relatively high excess to flow to reactants, while the total surplus still be minimized.

Eine gemäß diesen Ausführung der Erfindung ausgestaltete Kaskadierung der Elektrodenbereiche kann beispielsweise so aussehen, dass zuerst drei Abschnitte parallel von den Reaktionsstoffen angeströmt werden. Im Bereich dieser Abschnitte wird dann ein Überschuss an Reaktionsstoffen in der Größenordnung von beispielsweise 40 % Verwendung finden. Nach dem Durchströmen der genannten drei Abschnitte bleibt damit immer noch ein Überschuss von 20 %, bezogen auf einen der Abschnitte, übrig: Wird also nach den drei genannten Abschnitten ein einzelner vierter Abschnitt angeströmt, so kann dieser ebenfalls noch mit einem Überschuss von 20 % der Reaktionsstoffe betrieben werden. Alle vier Abschnitte werden also mit einem vergleichsweise hohen Überschuss betrieben, während der Ge samtüberschuss, bezogen auf alle vier Abschnitte, lediglich noch 5 % beträgt.A cascading of the electrode regions designed in accordance with this embodiment of the invention may, for example, be such that first three sections are flowed parallel from the reactants. In the area of these sections will then find an excess of reactants in the order of, for example, 40% use. After flowing through the said three sections, there is still a surplus of 20% with respect to one of the sections. If, according to the three sections mentioned, a single fourth section is flowed in, then this can still be reached with a surplus of 20% Reactants are operated. All four sections are thus operated with a relatively high surplus, while the total surplus, based on all four sections, only still 5%.

Mit einem derartigen Aufbau können also die Vorteile des Betriebs der Elektrodenbereiche, und hier insbesondere der Anodenbereiche der Brennstoffzelle, mit einem Überschuss an Reaktionsstoff erreicht werden, wobei der Gesamtüberschuss minimiert wird.With such a structure can so the benefits of operating the electrode areas, and here in particular the anode areas of the fuel cell, with a surplus be achieved in the reaction substance, wherein the total excess is minimized.

Dabei gibt es prinzipiell zwei Möglichkeiten der Ausgestaltung dieser Variante der Erfindung. So ist es beispielsweise gemäß einer ersten Weiterbildung dieser Idee vorgesehen, dass die Abschnitte im Bereich jeder einzelnen der wenigstens einen Brennstoffzelle durch eine entsprechende Ausgestaltung der Reaktionsstoffzuführung ausgebildet sind.There are basically two ways of Embodiment of this variant of the invention. That's the way it is, for example according to a first development of this idea provided that the sections in the area of each one of the at least one fuel cell formed by a corresponding configuration of the reagent feed are.

Üblicherweise wird bei gattungsgemäßen Brennstoffzellensystemen nicht eine einzelnen Brennstoffzelle, sondern eine Vielzahl von Brennstoffzellen, welche zu einem Brennstoffzellenstapel bzw. Brennstoffzellenstapel zusammengefasst sind, angeströmt. In diesen einzelnen Zellen befindet sich geeignete Reaktionsstoffzuführungen, welche beispielweise in Form von geprägten oder geätzten Fließfeldern, sogenannten "flow fields", ausgebildet sind.Usually is in generic fuel cell systems not a single fuel cell, but a variety of Fuel cells leading to a fuel cell stack or fuel cell stack are summarized, streamed. In these individual cells are appropriate reagent feeds, which, for example, in the form of embossed or etched flow fields, so-called "flow fields "are formed.

Derartige Fließfelder können nun so ausgeführt sein, dass zuerst eine gewisse Anzahl von Abschnitten parallel von den Reaktionsstoffen, und hier wiederum insbesondere von dem anodenseitig eingesetzten Wasserstoff, angeströmt werden, während danach eine kleiner Anzahl an Abschnitten entsprechend angeströmt wird. Sofern jeder einzelne der Abschnitte eine in etwa gleich große Fläche der Elektrode überdeckt, kommt es in jeder einzelnen Zelle zu dem eingangs beschriebenen Effekt.Such flow fields can now be designed that first a certain number of sections parallel to the Reactants, and here again in particular from the anode side used hydrogen, are flown during after a small number of sections is flowed accordingly. Provided each of the sections has an approximately equal area of Electrode covered, it comes in each cell to that described above Effect.

Selbstverständlich kann eine derartige Kaskadierung nicht nur in zwei, sondern auch in mehreren Stufen ausgeführt werden.Of course, such Cascading not only in two, but also in several stages accomplished become.

Die alternative Ausgestaltung sieht vor, dass eine entsprechende Kaskadierung nicht durch eine Unterteilung der Reaktionsstoffzuführung im Bereich jeder einzelnen Zelle, sondern durch mehrere, jeweils strömungstechnisch parallel geschaltete einzelne, von ihren Reaktionsstoffen möglichst gleichmäßig angeströmte Brennstoffzellen gebildet wird. Jeder Abschnitt umfasst dann eine gewisse Anzahl von einzelnen Brennstoffzellen und die einzelnen Abschnitte sind untereinander in der oben genannten Art verschaltet.The alternative embodiment sees suggest that a corresponding cascading not by a subdivision the Reagent Supply in the range of each individual cell, but by several, respectively aerodynamically connected in parallel, of their reactants as possible evenly flown fuel cells is formed. Each section then includes a certain number of individual fuel cells and the individual sections are interconnected with each other in the above-mentioned manner.

Hinsichtlich der üblicherweise verwendeten Ausgestaltung der Brennstoffzellen in Form eines Brennstoffzellenstapels können hier prinzipiell jeder der Abschnitte durch einen eigenen Brennstoffzellenstapel gebildet werden. Gemäß einer sehr günstigen Weiterbildung der Idee werden diese einzelnen Abschnitte jedoch in einem einzigen Brennstoffzellenstapel zusammengefasst, in welchem die entsprechende Zuführung der Reaktionsstoffe dann durch Trennplatten zwischen den einzelnen Abschnitten geeignet gestaltet werden kann.With regard to the conventionally used design the fuel cells in the form of a fuel cell stack can here in principle, each of the sections by its own fuel cell stack be formed. According to one very favorable training the idea, however, these individual sections in a single Combined fuel cell stack, in which the corresponding feed the reactants then by separating plates between the individual Sections can be designed appropriately.

Eine besonders günstige Verwendung für ein derartiges Brennstoffzellensystem gemäß der Erfindung liegt aufgrund seiner sehr einfachen, kleinen und leichten Bauweise im Bereich eines Hilfsenergieerzeugers, einer sogenannten APU.A particularly favorable use for such a Fuel cell system according to the invention is due to its very simple, small and lightweight design in the area of an auxiliary power generator, a so-called APU.

Eine derartige APU kann dabei als Energielieferant für elektrischer Komponenten und Peripheriesysteme, beispielsweise in Kraftfahrzeugen oder andersartigen Transportmitteln, zu Lande, im Wasser oder in der Luft eingesetzt werden. Über die APU wird dabei elektrische Energie während der Fortbewegung des Transportmittels oder auch im Stillstand desselben erzeugt, weiche elektrische Systeme, wie Navigationseinrichtungen, Klimatisierungseinrichtungen oder dergleichen, unabhängig von der zur Fortbewegung genutzten Energiequelle mit elektrischer Energie versorgen kann. Typische Größen für derartige APUs liegen bei ca. 3 bis 10 kWel.Such an APU can be used as an energy supplier for electrical components and peripheral systems, for example in motor vehicles or other types of transport, on land, in the water or in the air. Electrical energy is thereby generated by the APU during the movement of the means of transport or even at standstill thereof, which can supply electrical systems such as navigation devices, air-conditioning devices or the like, independently of the energy source used for locomotion. Typical sizes for such APUs are about 3 to 10 kW el .

Eine alternative Verwendung, bei der die durch das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem erzielten Vorteile hinsichtlich der Einfachheit, Robustheit und hinsichtlich des kompakten Aufbaus ebenfalls besonders günstig sind, liegt sicherlich auch in der Verwendung des Brennstoffzellensystems zum Erzeugen zumindest eines Teils der Antriebsenergie für ein Kraftfahrzeug bzw. Transportmittel zu Lande, im Wasser oder in der Luft.An alternative use, in the by the fuel cell system according to the invention achieved advantages in terms of simplicity, robustness and are also particularly favorable in terms of compact design, certainly also lies in the use of the fuel cell system for generating at least a part of the drive energy for a motor vehicle or means of transport on land, in the water or in the air.

Auch hier werden entsprechende Anforderungen an das Brennstoffzellensystem gestellt, welche insbesondere im Bereich der Kompaktheit, der Kosten und des Wirkungsgrads zu suchen sind, welche durch das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem in idealer Weise befriedigt werden. Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem kann also als Energielieferant für die Antriebsenergie eingesetzt werden, wobei die Antriebsenergie ganz aus dem Brennstoffzellensystem stammen kann oder auch nur teilweise aus dem Brennstoffzellensystem, beispielsweise bei hybridisierten Antriebskonzepten mit Brennstoffzellensystem und Batterie oder Brennstoffzellensystem und andersartigem Antriebsenergieerzeuger, beispielsweise einem Verbrennungsmotor.Again, appropriate requirements placed on the fuel cell system, which in particular in the field compactness, cost and efficiency, which by the fuel cell system according to the invention be ideally satisfied. The fuel cell system according to the invention So can as an energy supplier for the drive energy can be used, the drive energy can come entirely from the fuel cell system or even partially from the fuel cell system, for example when hybridized Drive concepts with fuel cell system and battery or fuel cell system and other drive power generator, such as a Combustion engine.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den restlichen Unteransprüchen und aus den Ausführungsbeispielen, welche anhand der Zeichnungen nachfolgend erläutert werden.Further advantageous embodiments The invention will become apparent from the remaining dependent claims and from the exemplary embodiments, which will be explained below with reference to the drawings.

Dabei zeigen:Showing:

1 eine erste mögliche Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems; 1 a first possible embodiment of the fuel cell system according to the invention;

2 eine alternative mögliche Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems; 2 an alternative possible embodiment of the fuel cell system according to the invention;

3 eine weitere alternative mögliche Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems; 3 a further alternative possible embodiment of the fuel cell system according to the invention;

4 eine mögliche Ausgestaltung der strömungstechnischen Anordnung der Elektrodenbereiche der wenigstens einen Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems am Beispiel der Anodenbereiche; 4 a possible embodiment of the fluidic arrangement of the electrode regions of the at least one fuel cell of the fuel cell system using the example of the anode regions;

5 eine alternative mögliche Ausführungsform der Ausgestaltung gemäß 3; 5 an alternative possible Ausfüh Form of the embodiment according to 3 ;

6 ein Zahlenbeispiel für den regulären Betrieb einer Ausgestaltungsmöglichkeit des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems; und 6 a numerical example of the regular operation of a possible embodiment of the fuel cell system according to the invention; and

7 ein prinzipmäßig angedeutetes Transportmittel am Beispiel eines Fahrzeugs mit einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem und einem Verbrennungsmotor. 7 a principle indicated transport means using the example of a vehicle with a fuel cell system according to the invention and an internal combustion engine.

In 1 ist ein Brennstoffzellensystem 1 gemäß der Erfindung in einer ersten möglichen Ausführungsform dargestellt. Das Brennstoffzellensystem 1 ist in den hier dargestellten Ausführungsbeispielen jeweils mit einer Vielzahl von Brennstoffzellen dargestellt, welcher in einem Brennstoffzellenstapel 2 in an sich bekannter Weise zusammen gefasst sind. Bei den einzelnen Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels 2 soll es sich insbesondere um Brennstoffzellen mit Elektronen leitender Membran, sogenannte PEM-Brennstoffzellen, handeln. Neben dem Brennstoffzellenstapel 2 ist eine entscheidende Komponente des hier dargestellten Brennstoffzellen systems 1 ein Gaserzeugungssystem 3, in welchem aus einem flüssigen, kohlenwasserstoffhaltigen Ausgangsstoff das zum Betreiben des Brennstoffzellenstapels 2 benötigte wasserstoffhaltige Gas erzeugt wird.In 1 is a fuel cell system 1 illustrated according to the invention in a first possible embodiment. The fuel cell system 1 is shown in the embodiments illustrated here in each case with a plurality of fuel cells, which in a fuel cell stack 2 are summarized in a conventional manner. At the individual fuel cells of the fuel cell stack 2 it should be in particular fuel cells with electron-conducting membrane, so-called PEM fuel cells act. Next to the fuel cell stack 2 is a crucial component of the fuel cell system shown here 1 a gas generating system 3 in which from a liquid, hydrocarbon-containing starting material for operating the fuel cell stack 2 required hydrogen-containing gas is generated.

Bei dem genannten Ausgangsstoff, welcher in 1 und den nachfolgenden Figuren mit seiner chemischen Formel CnHm dargestellt ist, soll es sich bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel insbesondere um Benzin oder Diesel handeln. Prinzipiell wären für ein derartiges Gaserzeugungssystem jedoch auch andere kohlenwasserstoffhaltige Ausgangsstoffe, wie Methanol, Naphta, Kerosin, Methan oder dergleichen, denkbar.In the mentioned starting material, which in 1 and the following figures with its chemical formula CnHm is shown, it should be in the embodiment shown here in particular gasoline or diesel. In principle, however, other hydrocarbon-containing starting materials, such as methanol, naphtha, kerosene, methane or the like, would be conceivable for such a gas generating system.

In dem Gaserzeugungssystem 3 wird nun dieser kohlenwasserstoffhaltige Ausgangsstoff zusammen mit Wasser und Luft – als Sauerstofflieferant – in einem autothermen Reformer 4 in ein wasserstoffhaltiges Gas umgesetzt. Dieses wasserstoffhaltige Gas bzw. Reformat durchläuft dann in dem in 1 dargestellten Gaserzeugungssystem 3 eine nachfolgend zur Vereinfachung als Shiftstufe 5 bezeichnete Wassergasshiftstufe, ehe es im Bereich einer Feingasreinigung 6 in der Art aufbereitet wird, dass es einem Anodenraum 7 des Brennstoffzellenstapels 2 zugeführt werden kann, ohne dass in dem Reformat, für den Anodenbereich 7 des Brennstoffzellenstapels 2 schädliche Inhaltsstoffe, wie beispielsweise Kohlenmonoxid oder dergleichen, enthalten sind. Diese Feingasreinigung 6 kann dabei in vielseitiger Weise ausgebildet sein, üblich sind beispielsweise Einrichtungen zur selektiven Oxidation des Kohlenmonoxids oder eine Ausgestaltung der Feingasreinigung 6 als Methanisierung, in welcher aus einem Teil des Wasserstoffs und dem Kohlenmonoxid Methan und Wasser gebildet werden. In dem in 1 und den folgenden Figuren dargestellten Ausführungsbeispiel soll es sich bei der Feingasreinigung 6 jeweils um eine Methanisierung handeln, was die Erfindung jedoch nicht auf diese Art der Feingasreinigung 6 einschränken soll. Durch die zusätzliche Bildung von Wasser im Bereich der Methanisierung ist diese jedoch aus den nachfolgend noch beschriebenen Gründen für das hier dargestellte Brennstoffzellensystem 1 eine sehr günstige Art der Feingasreinigung 6.In the gas generation system 3 Now, this hydrocarbon-containing starting material together with water and air - as an oxygen supplier - in an autothermal reformer 4 converted into a hydrogen-containing gas. This hydrogen-containing gas or reformate then passes through in the in 1 illustrated gas generating system 3 a below for simplicity as a shift stage 5 designated Wassergasshiftstufe, before it in the area of a fine gas cleaning 6 is processed in the way that it is an anode compartment 7 of the fuel cell stack 2 can be supplied without in the reformate, for the anode region 7 of the fuel cell stack 2 harmful ingredients such as carbon monoxide or the like are contained. This fine gas cleaning 6 can be designed in many ways, are common, for example, devices for the selective oxidation of carbon monoxide or a refinement of the fine gas cleaning 6 as methanation in which methane and water are formed from part of the hydrogen and the carbon monoxide. In the in 1 and the following figures illustrated embodiment, it should be in the fine gas cleaning 6 each act to methanation, which the invention, however, not on this type of fine gas cleaning 6 should restrict. Due to the additional formation of water in the area of methanation, however, this is for the reasons described below for the fuel cell system shown here 1 a very cheap way of fine gas cleaning 6 ,

Auf die Shiftstufe 5 soll hier nicht näher eingegangen werden, da derartige Shiftstufen, bei welchen durch eine Wassergasshiftreaktion der Anteil an Wasserstoff in dem aus dem autothermen Reformer 4 stammenden Reformat erhöht wird, an sich bekannt sind. In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich dabei um eine einzige Shiftstufe 5, und es wären, ein derartiges Ausführungsbeispiel wird später auch noch beschrieben, jedoch auch mehrere Shiftstufen denkbar, welche dann nach Hochtemperaturshiftstufe (HTS) und Niedrigtemperaturshiftstufe (LTS) aufgeteilt werden könnten.On the shift level 5 will not be discussed in more detail here, since such shift stages, in which by a Wassergasshiftreaktion the proportion of hydrogen in the from the autothermal reformer 4 originating reformate is known per se. In the in 1 illustrated embodiment, this is a single shift stage 5 , And it would be, such an embodiment will be described later, but also several shift stages conceivable, which could then be divided into high temperature shift stage (HTS) and low temperature shift stage (LTS).

Neben dem wasserstoffhaltigen Gas aus dem Bereich des Gaserzeugungssystems 3 wird dem Brennstoffzellenstapel 2, und hier insbesondere einem Kathodenraum 8 des Brennstoffzellenstapels 2 ausserdem ein Oxidationsmittel bzw. ein zu oxidierender Reaktionsstoff zugeführt. Bei diesen Reaktionsstoff, welcher dem Kathodenraum 8 des Brennstoffzellenstapels 2 zugeführt wird, wird es sich üblicherweise um Luft handeln. Der Anodenraum 7 und der Kathodenraum 8 des Brennstoffzellenstapels 2 sind dabei so ausgebildet, dass Protonen aus dem wasserstoffhaltigen Gas durch eine PE-Membran gelangen und dass neben elektrischer Energie auch Wasser als Produkt dieser "kalten" Verbrennung entsteht. Dieses Produktwasser wird zusammen mit Restwasser der Reformierung und dem in der Methanisierung als Feingasreinigung 6 gebildeten Wasser, welches in dem wasserstoffhaltigen Gasstrom aus dem Gaserzeugungssystem 3 enthalten ist, und welches beim Betrieb durch die PE-Membran 9 hindurchtreten kann, als Wasserdampf von dem durch einen Verdichter 10 zu und durch den Kathodenraum 8 geförderten Luftstrom aus dem Bereich des Brennstoffzellenstapels 2 transportiert.In addition to the hydrogen-containing gas from the area of the gas generating system 3 becomes the fuel cell stack 2 , and in particular a cathode compartment 8th of the fuel cell stack 2 In addition, an oxidizing agent or a reactant to be oxidized supplied. In this reagent, which is the cathode compartment 8th of the fuel cell stack 2 is supplied, it will usually be air. The anode compartment 7 and the cathode compartment 8th of the fuel cell stack 2 are designed so that protons from the hydrogen-containing gas pass through a PE membrane and that in addition to electrical energy and water is produced as a product of this "cold" combustion. This product water is used together with residual water of the reforming and in the methanation as fine gas cleaning 6 formed in the hydrogen-containing gas stream from the gas generating system 3 is included, and which when operating through the PE membrane 9 can pass as water vapor from that through a compressor 10 to and through the cathode compartment 8th promoted air flow from the area of the fuel cell stack 2 transported.

Der Kathodenabluftstrom des Brennstoffzellenstapels 2 gelangt dann in ein sogenanntes Membranmodul 11, in welchem er zumindest in einem Teilbereich 12 lediglich durch für Wasserdampf selektiv durchlässige Membranen 13 von der Kathodenauluft getrennt mit dieser in Kontakt kommt. Der Wasserdampf aus der Kathodenabluft wird dann diese für Wasserdampf selektiv durchlässigen Membranen 13, welche beispielsweise als Hohlfasermembranen ausgebildet sein können, durchdringen und die zu dem Kathodenraum 8 strömende Zuluft befeuchten. Dadurch kann sichergestellt werden, dass die in den Kathodenraum 8 des Brennstoffzellenstapels 2 einströmende Luft ausreichend befeuchtet ist, so dass eine Schädigung der PE-Membranen 9 durch Austrocknung vermieden werden kann.The cathode exhaust stream of the fuel cell stack 2 then enters a so-called membrane module 11 in which he at least in a subarea 12 only by selectively permeable to water vapor membranes 13 separated from the cathode air comes into contact with this. The water vapor from the cathode exhaust air then becomes these water vapor selectively permeable membranes 13 , which may be formed, for example, as hollow fiber membranes, and penetrate to the cathode space 8th moisten incoming air. This can ensure that the in the cathode compartment 8th of the fuel cell stack 2 inflowing air is sufficiently moistened, causing damage to the PE membranes 9 can be avoided by dehydration.

Nach dem Durchströmen des Membranmoduls 11 wird die dann getrocknete Kathodenabluft mit dem Abgasstrom aus dem Bereich des Anodenraums des Brennstoffzellenstapels 2 vermischt und kann gegebenenfalls einer weiteren Aufgabe zugeführt werden. Je nach Einsatz des Brennstoffzellensystems 1, beispielsweise in einem mit einem Verbrennungsmotor 33 ausgerüsteten Kraftfahrzeug 32, wie es später noch dargestellt ist, kann der gesammelte Abgasstrom beispielsweise dem Verbrennungsmotor 33 zugeführt werden, so dass die verbleibenden Reststoffe, insbesondere das Methan, im Falle der Feingasreinigung 6 durch Methanisierung, nachverbrannt werden können. Diese Nachverbrennung bzw. Umsetzung kann jedoch auch durch eine übliche Abgasreinigungsanlage erfolgen.After flowing through the membrane module 11 is the then dried cathode exhaust air with the exhaust gas stream from the region of the anode compartment of the fuel cell stack 2 mixed and can optionally be fed to another task. Depending on the use of the fuel cell system 1 For example, in one with an internal combustion engine 33 equipped motor vehicle 32 As will be shown later, the exhaust gas flow collected may be, for example, the internal combustion engine 33 be fed so that the remaining residues, especially the methane, in the case of fine gas cleaning 6 by methanation, can be post-combusted. However, this post-combustion or conversion can also be carried out by a conventional emission control system.

Zusätzlich zu den bereits beschriebenen, für die Funktionsweise des Brennstoffzellensystems 1 grundlegend notwendigen Bestandteile weist das in 1 dargestellte Brennstoffzellensystem 1 einige weitere Besonderheiten und Komponenten auf, welche nachfolgend erläutert werden sollen. Zuerst fällt auf, dass das Membranmodul 11 neben dem Teilbereich 12 einen weiteren Teilbereich 14 aufweist, welcher von den beispielsweise als Hohlfasermembranen ausgebildeten Membranen 13 ebenfalls durchdrungen wird. Dieser Teilbereich 14, welcher auf seiner dem feuchten Kathodenabgas abgewandten Seite der Membranen 13 gegenüber dem Teilbereich 12 abgedichtet ist, wird nun von Luft, welche über eine Drossel 15 und gegebenenfalls über eine Luftreinigungseinrichtung, wie den später noch dargestellte Luftfilter 27 des Verdichters 10, in den Teilbereich 14 einströmt, durchströmt und befeuchtet.In addition to those already described, for the operation of the fuel cell system 1 fundamentally necessary components that in 1 illustrated fuel cell system 1 some other features and components, which will be explained below. First, it stands out that the membrane module 11 next to the subarea 12 another subarea 14 which of the membranes formed for example as hollow fiber membranes 13 is also penetrated. This subarea 14 , which on its side remote from the moist cathode exhaust gas side of the membranes 13 opposite the subarea 12 is now sealed by air, which has a throttle 15 and optionally via an air cleaning device, such as the air filter later shown 27 of the compressor 10 , in the subarea 14 flows in, flows through and moisturizes.

Das Membranmodul 11 mit seinen beiden Teilbereichen 12 und 14 kann beispielsweise so aufgebaut sein, dass die Hohlfasermembranen 13 von der einen Seite des Moduls zu der anderen Seite reichen und von dem feuchten Abgasstrom aus dem Bereich des Kathodenraums 8 durchströmt werden. Der Teilbereich 14 ist gegenüber dem Eintritt dieses feuchten Anodenabgases durch eine Dichtung, welche beispielsweise durch ein Vergießen der Hohlfasermembranen 13 erfolgen kann. Ein ähnliches Vergießen, welches die Teilbereiche 12 und 14 voneinander abdichtet kann auch zwischen diesen erfolgen. Damit entsteht ein einfaches kompaktes und kleines Hohlfasermembranmodul 11, welches die beiden Teilbereiche 12 und 14 aufweist und somit zwei getrennte Volumenströme an bzw. mit Wasserdampf bereitstellen kann. Um die Ausbeuten an Wasserdampf entsprechend den Erfordernissen anzupassen reicht es aus, die Größe der beiden Teilbereiche 12 und 14 sowie deren Anordnung im Bereich des in die Hohlfasermembranen 13 einströmenden und dem Bereich des aus den Hohlfasermembranen 13 ausströmenden feuchten Abgases geeignet zu wählen.The membrane module 11 with its two sections 12 and 14 For example, it may be constructed so that the hollow fiber membranes 13 from the one side of the module to the other side and from the moist exhaust gas flow from the area of the cathode compartment 8th be flowed through. The subarea 14 is opposite to the entry of this humid anode exhaust gas through a seal which, for example, by potting the hollow fiber membranes 13 can be done. A similar casting, which the subareas 12 and 14 can also be between them. This creates a simple compact and small hollow fiber membrane module 11 which is the two subareas 12 and 14 and thus can provide two separate volume flows to or with water vapor. In order to adjust the yields of water vapor according to the requirements, it is sufficient to measure the size of the two subregions 12 and 14 as well as their arrangement in the region of the in the hollow fiber membranes 13 inflowing and the area of the hollow-fiber membranes 13 outgoing wet exhaust gas to choose suitable.

Der über die Drossel 15 in dem Teilbereich 14 befeuchtete Luftstrom wird durch eine Fördereinrichtung 16, welche beispielsweise mit dem Verdichter 10 auf einer gemeinsamen Welle 17 und von einem gemeinsamen Motor 18 angetrieben sein kann, in den Bereich des Gaserzeugungssystems 3 gefördert. Unmittelbar vor dem Eintritt in den Bereich des Gaserzeugungssystems 3 wird diesem wasserdampfstrom, welcher von der Fördereinrichtung 16 mit Unterstützung der Luft als Transportmedium transportiert wird, der kohlenwasserstoffhaltige Ausgangsstoff CnHm, beispielsweise Benzin, zugeführt.The over the throttle 15 in the subarea 14 Moistened airflow is through a conveyor 16 which, for example, with the compressor 10 on a common wave 17 and from a common engine 18 can be driven in the area of the gas generating system 3 promoted. Immediately before entering the area of the gas generating system 3 This water vapor stream, which flows from the conveyor 16 is transported with the support of the air as a transport medium, the hydrocarbon-containing starting material C n H m , for example gasoline supplied.

Das Gemisch aus Benzin, Wasserdampf und Luft, welches zur autothermen Reformierung geeignet ist, wird über einen Wärmetauscher 19 und einen später noch zu erläuternden, dem Kaltstartfall vorbehaltenen Brenner 20 zur Reformierung in den autothermen Reformer 4 geleitet. Das Zumischen des Benzins vor dem Eintritt in den Wärmetauscher 19 ist besonders günstig, da es durch die häufigen Richtungswechsels des in den Wärmetauscher 19 strömenden Gases zu einer sehr guten Vermischung des Wasserdampfs mit dem Benzin kommt und da dieses, wenn es z. B. flüssig in dem Wasserdampf zerstäubt wird, im Bereich des Wärmetauschers 19 sehr leicht verdampft werden kann, da die eingesetzte Menge an Benzin im Verhältnis zum Wasserdampf vergleichsweise klein ist und Benzin gut verdampft.The mixture of gasoline, water vapor and air, which is suitable for autothermal reforming, via a heat exchanger 19 and a later to be explained, the cold start case reserved burner 20 for reforming in the autothermal reformer 4 directed. Adding gasoline before entering the heat exchanger 19 is particularly favorable, since it is due to the frequent change of direction in the heat exchanger 19 flowing gas to a very good mixing of the water vapor comes with the gasoline and since this, if it is z. B. is atomized liquid in the water vapor, in the region of the heat exchanger 19 can be evaporated very easily, since the amount of gasoline used in relation to the water vapor is relatively small and gas well evaporated.

In dem autothermen Reformer 4 erfolgt dann die Umsetzung dieses Gemischs in ein wasserstoffhaltiges Reformat, welches eine vergleichsweise hohe Temperatur von ca. 850 bis 900 °C aufweist. Dieses wasserstoffhaltige heiße Reformat strömt dann durch den Wärmetauscher 19 in den Bereich der Shiftstufe 5, wobei in dem Wärmetauscher 19 dabei das wasserstoffhaltige Reformat auf ca. 300 °C abgekühlt und das Gemisch aus Wasserdampf, Benzin und Luft auf eine geeignete Eingangstemperatur in den autothermen Reformer 4 von ca. 800 °C aufgewärmt wird.In the autothermal reformer 4 Then, the reaction of this mixture in a hydrogen-containing reformate, which has a relatively high temperature of about 850 to 900 ° C. This hydrogen-containing hot reformate then flows through the heat exchanger 19 in the area of the shift level 5 wherein in the heat exchanger 19 while the hydrogen-containing reformate cooled to about 300 ° C and the mixture of water vapor, gasoline and air to a suitable inlet temperature in the autothermal reformer 4 is warmed up by about 800 ° C.

Im Bereich der Shiftstufe 5 erfolgt dann die an sich bekannte Wassergasshiftreaktion, bei welcher zusätzlicher Wasserstoff entsteht, und bei welcher sich außerdem die Temperatur in dem Reformat um rund 100 °C anhebt. Nach der Shiftstufe 5 durchströmt das wasserstoffhaltige Reformat dann einen weiteren Wärmetauscher 21, in welchem es durch ein flüssiges Kühlmedium auf eine geeignete Eintrittstemperatur in die Feingasreinigung 6 abgekühlt wird. Bei der bereits mehrfach angesprochenen Methanisierung als Feingasreinigung 6 sollte diese Temperatur in der Größenordnung von ca. 200 °C liegen.In the field of shift level 5 The water gas shift reaction known per se, in which additional hydrogen is produced, and in which the temperature in the reformate also rises by about 100 ° C., then takes place. After the shift step 5 then flows through the hydrogen-containing reformate another heat exchanger 21 in which it by a liquid cooling medium to a suitable inlet temperature in the fine gas cleaning 6 is cooled. In the already repeatedly mentioned methanation as fine gas cleaning 6 this temperature should be on the order of about 200 ° C.

Der Wärmetauscher 21 kann als sehr kleiner, kompakter und effektiv arbeitender Wärmetauscher 21 realisiert werden, da das flüssige Kühlmedium, welches ihn kühlt, in allen Betriebszuständen des Brennstoffzellensystems 1 flüssig ist und aus dem ohnehin vorhandenen Kühlkreislauf 22 des Brennstoffzellensystems stammt. Durch diese besondere Ausgestaltung des Wärmetauschers 21 mit Anbindung an den Kühlkreislauf 22 lässt sich die Temperatur für den Eintritt in die Feingasreinigung 6, beispielsweise über ein Drei-Wege-Proportionalventil 210, ideal einstellen bzw. regeln, was wiederum den positiven Effekt hat, dass der Umsatz und die Reinigungsleistung im Bereich der Feingasreinigung optimiert werden kann, da diese durch die Temperatur der ihr zuströmenden Edukte stark beein flusst wird. Die unabhängige Regelung der Temperatur im Bereich des Wärmetauschers 21 durch den Kühlkreislauf 22 stellt somit eine sehr einfache und effektive Möglichkeit der Verbesserung der Qualität der Gasreinigung des Stoffumsatzes im Bereich der Feingasreinigung 6 dar.The heat exchanger 21 can be used as a very small, compact and effective heat exchanger 21 be realized because the liquid coolant, which cools him, in all operating conditions of the fuel cell system 1 is liquid and from the already existing cooling circuit 22 of the fuel cell system. Due to this particular embodiment of the heat exchanger 21 with connection to the cooling circuit 22 the temperature for entering the fine gas cleaning can be 6 , for example via a three-way proportional valve 210 , ideally adjust or regulate, which in turn has the positive effect that the sales and the cleaning performance in the field of fine gas cleaning can be optimized, since this is strongly influenced by the temperature of their incoming reactants. The independent regulation of the temperature in the area of the heat exchanger 21 through the cooling circuit 22 thus represents a very simple and effective way of improving the quality of the gas purification of the material turnover in the field of fine gas cleaning 6 represents.

Nach dem verlassen des Gaserzeugungssystems 3 strömt das wasserstoffhaltige Gas in den Bereich des Brennstoffzellenstapels 2. Da das wasserstoffhaltige Gas nach der Feingasreinigung 6 eine Temperatur in der Größenordnung von 250 °C aufweist, und da die Temperatur im Bereich des Anodenraums 7 des Brennstoffzellenstapels 2 deutlich niedriger sein sollte, strömt das aus dem Gaserzeugungssystem 3 stammende wasserstoffhaltige Gas durch einen weiteren Wärmetauscher 23. Dieser Wärmetauscher ist dabei in idealer Weise in den Brennstoffzellenstapel 2 integriert. Er wird letztendlich durch einen Kühlwärmetauscher 24, welcher Teil des Kühlkreislaufs 22 ist, zusammen mit den weiteren Komponenten des Brennstoffzellenstapels 2 gekühlt. Die Integration des Wärmetauschers 23 in den Brennstoffzellenstapel 2 ist außerdem sehr günstig, da sich ein derartiger Aufbau sehr kompakt ausbilden lässt und die Leitungslängen zwischen dem Gaserzeugungssystem 3 und dem Brennstoffzellenstapel 2 sehr gering gehalten werden können.After leaving the gas generating system 3 the hydrogen-containing gas flows into the area of the fuel cell stack 2 , Since the hydrogen-containing gas after the fine gas cleaning 6 has a temperature of the order of 250 ° C, and since the temperature in the region of the anode space 7 of the fuel cell stack 2 should be significantly lower, that flows from the gas generating system 3 originating hydrogen-containing gas through another heat exchanger 23 , This heat exchanger is ideally in the fuel cell stack 2 integrated. He will eventually pass through a cooling heat exchanger 24 which part of the cooling circuit 22 is, along with the other components of the fuel cell stack 2 cooled. The integration of the heat exchanger 23 in the fuel cell stack 2 is also very low, since such a structure can be made very compact and the line lengths between the gas generating system 3 and the fuel cell stack 2 can be kept very low.

Neben den bereits erwähnten Wärmetauschern 21 und 24 ist außerdem eine Fördereinrichtung 25 sowie ein Kühler 26 Bestandteil des angesprochenen Kühlkreislaufs 22. Der Kühler 26 üblicherweise von einem Luftstrom gekühlt, welcher beispielsweise aus dem Fahrtwind resultieren oder durch einen exemplarisch angedeuteten Lüfter 260 erzeugt werden kann. Bei der Verwendung des Brennstoffzellensystems 1 in einem Fahrzeug 32 kann dieser Kühlkreislauf 22 an den ggf. bereits vorhandenen Kühlkreislauf des Fahrzeugs 32, z.B. an den Kühlkreislauf des Verbrennungsmotors 33 oder dergleichen, angekoppelt werden. Vergleichbar wie in einem solchen Kühlkreislauf wird auch in dem Kühlkreislauf 22 des Brennstoffzellensystems 1 ein frost sicheres Kühlmittel, beispielsweise auf Basis eines Wasser-Glykol-Gemischs strömen, welches in allen Betriebszuständen des Brennstoffzellensystems 1 flüssig bleibt und so für eine sehr hohe Kühlleistung sorgen kann.In addition to the already mentioned heat exchangers 21 and 24 is also a conveyor 25 as well as a cooler 26 Part of the mentioned cooling circuit 22 , The cooler 26 Usually cooled by an air flow, which, for example, resulting from the wind or by an example indicated fan 260 can be generated. When using the fuel cell system 1 in a vehicle 32 can this cooling circuit 22 to the possibly already existing cooling circuit of the vehicle 32 , eg to the cooling circuit of the internal combustion engine 33 or the like. Comparable as in such a cooling circuit is also in the cooling circuit 22 of the fuel cell system 1 a frost-free coolant, for example based on a water-glycol mixture flow, which in all operating conditions of the fuel cell system 1 remains liquid and can thus ensure a very high cooling capacity.

Neben diesen bereits erläuterten Komponenten des Brennstoffzellensystems 1 in 1 sind neben einem Luftfilter 27 einige weitere Komponenten vorhanden, welche überwiegend für den Kaltstartfall des Brennstoffzellensystems 1 von Bedeutung sind. So wird im Falle des Kaltstarts beispielsweise der bereits erwähnte Startbrenner 20 Verwendung finden, in welchem Luft zusammen mit dem Benzin verbrannt wird, um mit einer derartigen Flammverbrennung den autothermen Reformer 4 sehr schnell auf Temperatur zu bringen. Die Luft wird dabei mittels der Fördereinrichtung 16 durch die Drossel 15 und den Teilbereich 14 des Membranmoduls 11 gefördert. Im ersten Augenblick des Kaltstarts wird hierin noch keinerlei Wasserdampf vorhanden sein, dies kann in dieser frühen Phase des Kaltstarts jedoch toleriert werden. Die Luft gelangt dann auf dem beschriebenen Weg in den Bereich des Startbrenners 20 und wird dort zusammen mit dem Benzin verbrannt um, wie bereits erwähnt, den autothermen Reformer 4 möglichst schnell auf seine Betriebstemperatur aufzuheizen. Der autotherme Reformer 4 selbst wird dann zuerst als partielle Oxidationsstufe betrieben, um sich weiter aufzuheizen. Parallel dazu wird das Benzin-Luftgemisch über ein schaltbares im Falle des Kaltstarts geöffnetes Ventil 201 in den Bereich der Shiftstufe 5 geleitet, um mit der enthaltenen Luft auch hier eine Verbrennung des in dem autothermen Reformer 4 entstehenden Wasserstoffs und Kohlenmonoxids und ggf. des Brennstoffs zu erreichen um eine schnellstmögliche Erwärmung zu realisieren.In addition to these already explained components of the fuel cell system 1 in 1 are next to an air filter 27 some other components present, which predominantly for the cold start case of the fuel cell system 1 are of importance. So in the case of a cold start, for example, the already mentioned starting burner 20 Use, in which air is burned together with the gasoline, with such a flame combustion the autothermal reformer 4 to bring up to temperature very quickly. The air is thereby by means of the conveyor 16 through the throttle 15 and the subarea 14 of the membrane module 11 promoted. At the first moment of cold start, there will be no water vapor present, but this can be tolerated at this early stage of the cold start. The air then passes on the way described in the area of the starting burner 20 and is there burned together with the gasoline around, as already mentioned, the autothermal reformer 4 To heat as quickly as possible to its operating temperature. The autothermal reformer 4 itself is then first operated as a partial oxidation stage to heat up further. At the same time, the gasoline-air mixture is switched over by a switchable valve that opens in the event of a cold start 201 in the area of the shift level 5 passed to the air contained here also a combustion of the in the autothermal reformer 4 Resulting hydrogen and carbon monoxide and possibly the fuel to achieve the fastest possible heating to realize.

Das in dem Gaserzeugungssystem 3 im Falle des Kaltstarts entstehende Gas wird in an sich bekannter Weise nicht durch den Brennstoffzellenstapel 2 geleitet, da die in ihm enthaltenen Inhaltsstoffe die Katalysatoren und dergleichen im Bereich des Anodenraums 7 gefährden könnten. Das entstehende Gas wird vielmehr durch eine schaltbares Drei-Wege Ventil 280 und eine Bypassleitung 28 um den Anodenraum 7 des Brennstoffzellenstapels 2 geleitet und gelangt dann in neuer Weise, gegebenenfalls zusammen mit bereits durch den Kathodenraum 8 strömenden Luft in den Bereich des Membranmoduls 11. Da bei jeder herkömmlichen Verbrennung auch Wasserdampf als eines der Produkte entsteht, wird so bereits sehr früh eine Bereitstellung von Wasserdampf durch das Membranmodul 11 erreicht, so dass ein kontinuierlicher Übergang vom Kaltstartbetrieb in den regulären Betrieb des Gaserzeugungssystems 3 stattfinden kann. Parallel dazu wird in dieser frühen Phase über den Wärmetauscher 21 Kühlmedium geleitet, so dass sich auch der Kühlkreislauf 22 und über den Kühlwärmetauscher 24 der Brennstoffzellenstapel 2 möglichst schnell erwärmt.The resulting in the gas generating system 3 in the case of cold start gas is not in a conventional manner by the fuel cell stack 2 passed, since the ingredients contained in it, the catalysts and the like in the region of the anode compartment 7 could endanger. The resulting gas is much more through a switchable three-way valve 280 and a bypass line 28 around the anode compartment 7 of the fuel cell stack 2 passed and then passes in a new way, possibly together with already through the cathode compartment 8th flowing air into the region of the membrane module 11 , Since steam is also produced as one of the products in every conventional combustion, provision of water vapor through the membrane module takes place very early on 11 achieved, allowing a continuous transition from cold start operation to the regular operation of the gas generating system 3 can take place. At the same time, cooling medium is passed through the heat exchanger 21 in this early phase, so that the cooling circuit also flows 22 and over the cooling heat exchanger 24 the fuel cell stack 2 warmed up as quickly as possible.

Das gesamte Brennstoffzellensystem 1 kommt dabei grundsätzlich ohne flüssiges Wasser aus, da der gesamte für das Gaserzeugungssystem und für die Befeuchtung der Kathodenzuluft benötigte Wasserdampf dampfförmig aus dem Bereich der Abluft des Kathodenraums 8 und im Kaltstartfall des Bypass 28 stammt und durch das Membranmodul 11 strömt um die zuströmende Luft sowohl zu dem Kathodenraum 8 als auch zu dem Gaserzeugungssystem 3 entsprechend zu befeuchten.The entire fuel cell system 1 In principle, it is without liquid water, since the entire steam required for the gas generation system and for the moistening of the cathode feed air is vaporous from the area of the exhaust air of the cathode space 8th and in cold start the bypass 28 comes and through the membrane module 11 flows around the incoming air both to the cathode compartment 8th as well as to the gas generating system 3 to be moistened accordingly.

In 2 ist eine zweite Variante des Brennstoffzellensystems 1 dargestellt, welches sich letztendlich nur durch drei Punkte von dem in 1 beschriebenen Brennstoffzellensystem 1 unterscheidet.In 2 is a second variant of the fuel cell system 1 represented, which ultimately only by three points from the in 1 be written fuel cell system 1 different.

Der erste Unterschied ist im Bereich des Gaserzeugungssystems 3 zu suchen. Anstatt der in 1 beschriebenen Ausführung mit einer einzigen Shiftstufe 5 weist das hier beschriebene Gaserzeugungssystem 3 einen zweistufigen Wassergasshift mit einer Hochtemperaturshiftstufe (HTS) 5a und einer Niedrigtemperaturshiftstufe (LTS / Low Temperature Shift) 5b auf. Die Niedrigtemperaturshiftstufe 5b ist dabei in Kombination mit der als Methanisierung ausgebildeten Feingasreinigung 6 rea lisiert. Der Vorteil gegenüber dem eingangs beschriebenen Gaserzeugungssystem 3 mit einer einzigen Shiftstufe 5 liegt nun darin, dass die Regelung der Hochtemperaturshiftstufe 5a für die Qualität des erzeugten wasserstoffhaltigen Gases praktisch unwichtig wird. Man spart sich hierdurch also eine entsprechende Regelung der Hochtemperaturshiftstufe 5a. Die Temperaturerhöhung im Bereich der adiabat arbeitenden Niedrigtemperaturshiftstufe 5b und der Methanisierung 6 ist mit deutlich unter 100 K so gering, dass hier ein sehr gutes Regelverhalten ermöglicht wird, so dass über die bereits angesprochene unabhängige Regelung der Temperatur durch den Wärmetauscher 21 sehr gute Umsätze eingestellt werden können. Durch den entsprechend guten Umsatz von Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid und die entsprechend gute Funktionsweise der Niedrigtemperaturshiftstufe steigt damit letztendlich der Wirkungsgrad des Gaserzeugungssystems entsprechend an. Außerdem kann auf eine sonst ggf. erforderliche Kühlung von Shiftstufe 5 und Methanisierung 6 bei einer derartigen Ausgestaltung verzichtet werden.The first difference is in the area of the gas generation system 3 to search. Instead of in 1 described embodiment with a single shift stage 5 has the gas generating system described here 3 a two-stage water-gas shift with a high-temperature shift stage (HTS) 5a and a low temperature shift stage (LTS / Low Temperature Shift) 5b on. The low temperature shift stage 5b is in combination with the designed as methanation fine gas cleaning 6 rea lisiert. The advantage over the gas generating system described above 3 with a single shift step 5 now lies in the fact that the regulation of the high-temperature shift stage 5a becomes practically unimportant for the quality of the hydrogen-containing gas produced. This saves a corresponding regulation of the high-temperature shift stage 5a , The temperature increase in the range of the adiabatic low temperature shift stage 5b and methanation 6 is clearly below 100 K so low that here a very good control behavior is made possible, so that on the already mentioned independent regulation of the temperature through the heat exchanger 21 very good sales can be adjusted. Due to the correspondingly good conversion of carbon monoxide to carbon dioxide and the correspondingly good operation of the low-temperature shift stage, the efficiency of the gas-generating system ultimately rises accordingly. In addition, can be on an otherwise possibly required cooling of shift stage 5 and methanation 6 be dispensed with in such an embodiment.

Letztendlich mit diesem Aufbau verbunden ist auch die Erweiterung der Luft- bzw. Luft-Benzin-Zuführung zu den Shiftstufen 5a, 5b im Falle des Kaltstarts. Das dafür zusätzlich vorhandene Ventil 202 ist analog zu dem Ventil 201 zu verstehen.Ultimately connected to this structure is also the extension of the air or air-gasoline supply to the shift stages 5a . 5b in case of cold start. The additionally available valve 202 is analogous to the valve 201 to understand.

Der zweite Unterschied liegt im Bereich der Anbindung des Bypass 28, welcher hier nicht mittelbar nach dem Gaserzeugungssystem 3 abzweigt, sondern welcher so angeordnet ist, dass das aus dem Gaserzeugungssystem 3 stammende Gas auch dann, wenn es über den Bypass 28 geführt wird, also im Kaltstartfall, vor dem Erreichen des Bypass 28 noch den Wärmetauscher 23 durchströmt. Die in dem Gas enthaltene thermische Energie kommt somit dem Brennstoffzellenstapel 2 zugute, so dass dieser sich im Falle des Kaltstarts schneller erwärmt, als bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel. Allerdings erfordert eine so ausgestaltete Abzweigung des Bypass 28 mit dem Ventil 280 zwischen dem Wärmetauscher 23 und dem Anoden raum 7 meist einen etwas größeren konstruktiven Aufbau, da die Gasführung mit Einströmen in den Wärmetauscher 23 üblicherweise in den Brennstoffzellenstapel 2 integriert ist, und so ein geringfügig höher konstruktiver Aufwand zur Realisierung des Bypass 28 entsteht.The second difference lies in the area of the connection of the bypass 28 which is not mediated by the gas generation system 3 but which is arranged so that the from the gas generating system 3 originating gas even if it is over the bypass 28 is performed, so in cold start, before reaching the bypass 28 still the heat exchanger 23 flows through. The thermal energy contained in the gas thus comes to the fuel cell stack 2 benefit, so that it heats up faster in the case of cold start, as in the 1 illustrated embodiment. However, such a diversion of the bypass requires 28 with the valve 280 between the heat exchanger 23 and the anode room 7 usually a slightly larger structural design, since the gas flow with inflow into the heat exchanger 23 usually in the fuel cell stack 2 is integrated, and so a slightly higher design effort to realize the bypass 28 arises.

Zum Dritten stammt die als Transportmittel für den Wasserdampf und als Edukt für den autothermen Reformer 4 genutzte Luft bei der Ausführung gemäß 2 aus dem Bereich des Verdichters 10. Die erforderliche Leistung für das Fördermittel 16 kann so teilweise verlagert werden.Thirdly, it comes as a means of transport for the water vapor and as a reactant for the autothermal reformer 4 used air in the execution according to 2 from the area of the compressor 10 , The required performance for the subsidy 16 can be partially relocated.

Die weiteren Ausgestaltungen der 2 sind analog zu denen aus 1 zu verstehen, so dass hier nicht näher auf das Brennstoffzellensystem 1 gemäß 2 eingegangen werden muss.The further embodiments of the 2 are analogous to those from 1 to understand, so here is not closer to the fuel cell system 1 according to 2 must be received.

In 3 ist eine weitere Ausführungsform des Brennstoffzellensystems 1 dargestellt, welche wiederum weitgehend analog zu der in 2 aufgebaut ist.In 3 is another embodiment of the fuel cell system 1 which in turn is largely analogous to the in 2 is constructed.

Der Unterschied zu dem Brennstoffzellensystem 1 in 2 ist lediglich der, dass zur Zufuhr des Wasserdampfs aus dem Bereich des Membranmoduls 11 in den Bereich des Gaserzeugungssystems 3 nicht die Luft als Transportstrom genutzt wird. Aus dem Teilbereich 14 des Membranmoduls 11 wird lediglich über einen daran durch die Fördereinrichtung 16, welche beispielsweise, wie auch der Verdichter 10 als Drehschieberkompressor ausgebildet sein kann, ein Unterdruck erzeugt, welcher für den Abzug des Wasserdampfs aus dem Teilbereich 14 sorgt. Dieser Wasserdampf wird dann in den Bereich des Gaserzeugungssystems 3 gefördert, wobei ihm in der oben bereits beschriebenen Weise vor dem Eintritt in das Gaserzeugungssystem 3 der kohlenwasserstoffhaltige Ausgangsstoff CnHm zugegeben wird. Das Gemisch aus Wasserdampf und kohlenwasserstoffhaltigem Ausgangsstoff gelangt dann durch den Wärmetauscher 19 in den Bereich des autothermen Reformers 4 bzw. Starbrenners 20. Die für die autotherme Reformierung ebenfalls benötigte Luft wird von dem Verdichter 10 bereitgestellt und gelangt getrennt von dem Wasserdampf-Benzin-Gemisch durch den Wärmetauscher 19 in den Bereich des Brenners 20. Die Luft und das Wasserdampf-Benzin-Gemisch werden erst unmittelbar vor dem Eintritt in den Startbrenner 20 bzw. autothermen Reformer 4 miteinander vermischt. Dies hat den Vorteil, dass die Gefahr einer vorzeitigen Entzündung des Gemischs, beispielsweise im Wärmetauscher 19 vermieden werden kann. Bei dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel wird den beiden Shiftstufen 5a, 5b im Kaltstartfall über die schaltbaren Ventile 201 und 202 dann lediglich Luft zugeführt, diese reicht jedoch aufgrund der nach dem autothermen Reformer 4, welcher im Kaltstartfall als partielle Oxidationsstufe betrieben wird, noch vorliegenden Inhaltsstoffen seiner Abgase aus um durch eine entsprechende Umsetzung in den Shiftstufen 5a, 5b diese sowie die Feingasreinigung 6 schnell zu erwärmen.The difference to the fuel cell system 1 in 2 is only that for supplying the water vapor from the region of the membrane module 11 in the area of the gas generating system 3 not the air is used as a transport stream. From the subarea 14 of the membrane module 11 is only about one through the conveyor 16 which, for example, as well as the compressor 10 can be designed as a rotary vane compressor, generates a negative pressure, which for the withdrawal of water vapor from the sub-area 14 provides. This water vapor is then in the area of the gas generating system 3 supported, in the manner already described above before entering the gas generating system 3 the hydrocarbon-containing starting material CnHm is added. The mixture of water vapor and hydrocarbon-containing starting material then passes through the heat exchanger 19 in the area of the autothermal reformer 4 or star burner 20 , The air also required for autothermal reforming is from the compressor 10 provided and passes separately from the water vapor-gasoline mixture through the heat exchanger 19 in the area of the burner 20 , The air and the water vapor-gasoline mixture are only just before entering the starting burner 20 or autothermal reformer 4 mixed together. This has the advantage that the risk of premature ignition of the mixture, for example in the heat exchanger 19 can be avoided. At the in 3 illustrated embodiment is the two shift stages 5a , 5b in cold start via the switchable valves 201 and 202 then only fed air, but this is sufficient due to the after the autothermal reformer 4 , which is operated in the cold start case as a partial oxidation state, still existing ingredients of its exhaust gases from around by an appropriate implementation in the shift stages 5a . 5b these as well as the fine gas cleaning 6 to warm up quickly.

Um nun den Verbrauch an Wasserstoff in dem Brennstoffzellenstapel 2 und damit letztendlich auch den Bedarf an Wasserdampf für das Gaserzeugungssystem 3, in welchem dieser Wasserstoff erzeugt wird, möglichst gering zu halten und dennoch eine gute Funktionsweise der Brennstoffzellen im Brennstoffzellenstapel 2 sicher zu stellen, wird bei dem Brennstoffzellensystem 1 eine entsprechende Verschaltung der Anodenbereiche des Anodenraums 7 realisiert, bei welcher einzelne Abschnitte 29 des Anodenraums 7 so angeordnet sind, dass der Wasserstoff zuerst eine erste Anzahl von Abschnitten 29 parallel und in Strömungsrichtung danach wenigstens eine weitere, kleinere Anzahl an Abschnitten 29 durchströmt. Ein derartiger Aufbau ist prinzipmäßig in 4 angedeutet. Durch diese Kaskadierung einzelnen Abschnitte 29 des Anodenraums 7 des Brennstoffzellenstapels 2 kann erreicht werden, dass ein minimaler Gesamtüberschuss an Wasserstoff benötigt wird, wobei jedem der Abschnitte einen ausreichend hohen Überschuss an Wasserstoff zur Umsetzung zur Verfügung steht.Now to the consumption of hydrogen in the fuel cell stack 2 and ultimately the need for water vapor for the gas generation system 3 , in which this hydrogen is generated to keep as low as possible and still a good functioning of the fuel cell in the fuel cell stack 2 to make sure it is added the fuel cell system 1 a corresponding interconnection of the anode regions of the anode compartment 7 realized in which individual sections 29 of the anode compartment 7 are arranged so that the hydrogen is first a first number of sections 29 parallel and in the flow direction thereafter at least one further, smaller number of sections 29 flows through. Such a structure is in principle in 4 indicated. By cascading individual sections 29 of the anode compartment 7 of the fuel cell stack 2 can be achieved that a minimal total excess of hydrogen is needed, with each of the sections a sufficiently high excess of hydrogen available for the reaction.

Prinzipiell wäre eine Kaskadierung auch beider Elektrodenbereich, also sowohl der Anode 7 als auch der Kathode 8 denkbar, bei der Kathode 8 spielt dies jedoch keine so entscheidenden Rolle, wie bei der hier exemplarisch beschriebenen Anode 7, da hier für einen Überschuss lediglich die durch den Verdichter geförderte Menge etwas erhöht werden muss, so dass Sauerstoff immer ausreichend zur Verfügung steht.In principle, a cascading would also be both electrode area, so both the anode 7 as well as the cathode 8 conceivable, at the cathode 8th However, this does not play such a decisive role as in the anode described here by way of example 7 because here, for an excess, only the amount conveyed by the compressor needs to be increased slightly, so that oxygen is always sufficiently available.

In 4 ist beispielhaft eine Ausgestaltung dargestellt, bei der die einzelnen Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels jeweils zu den Abschnitten 29 zusammengefasst sind. Beispielhaft sollen hier jeweils fünfzehn Einzelzellen 30 zusammengefasst werden. Diese fünfzehn Einzelzellen 30 werden jeweils parallel angeströmt, wobei der einströmende Wasserstoff drei der Abschnitte 29 parallel durchströmt. Das nachfolgende Zahlenbeispiel soll eine mögliche Verteilung im Bereich des Anodenraums 7 eines eine elektrische Nennleistung von 5 kWel aufweisenden Brennstoffzellenstapels 2 erläutern. Dem gesamten Anodenraum 7 werden dabei 151 Mol/h Wasserstoff im Bereich A mit einem Gesamtüberschuss von 1,05 und einem Druck von 2 bara zugeführt. Entsprechend dem aus dem Bereich des Gaserzeugungssystems 3 stammenden Wasserstoffgehalt in dem Reformatgas ergibt sich ein Wasserstoffpartialdruck von 0,94 bara, bei einem Wasserstoffgehalt von 47 %.In 4 By way of example, an embodiment is shown in which the individual fuel cells of the fuel cell stack in each case to the sections 29 are summarized. By way of example, each fifteen individual cells 30 be summarized. These fifteen single cells 30 are each flowed parallel, wherein the inflowing hydrogen three of the sections 29 flows through in parallel. The following numerical example is intended to show a possible distribution in the region of the anode space 7 of a rated electric power of 5 kW el having fuel cell stack 2 explain. The entire anode compartment 7 151 mol / h of hydrogen in the region A are supplied with a total excess of 1.05 and a pressure of 2 bar a . According to the area of the gas generating system 3 derived hydrogen content in the reformate gas results in a hydrogen partial pressure of 0.94 bar a , with a hydrogen content of 47%.

Dieser im Bereich A einströmende Wasserstoffgasstrom wird auf drei der Abschnitte 29 parallel aufgeteilt, womit sich für jeden Abschnitt eine Wasserstoffmenge von 50,3 Mol/h Wasserstoff bei den genannten Druckbedingungen und einem Wasserstoffüberschuss von 1,4 für jeden der Abschnitte 29 ergibt. Nach dem Durchströmen der drei parallel geschalteten Abschnitte 29 und dem Sammeln des Abgases aus diesen Abschnitten wird sich im Bereich B ein Druck von 1,95 bara bei 43 Mol/h Wasserstoff einstellen. Aufgrund der noch vorliegenden Wasserstoffkonzentration von 19 % wird sich ein Wasserstoffpartialdruck in der Größenordnung von 0,37 bara einstellen. Der noch vorhandene Wasserstoff entspricht einem Gesamtüber schuss von 1,2 für den nachfolgenden Abschnitt 29, welcher in etwa eine gleich große aktive Zellfläche aufweist, wie die zuvor erläuterten Abschnitte 29. In dem hier dargestellten Fall wird also auch der Abschnitt 29 aus fünfzehn parallel geschalteten Einzelzellen 30 bestehen. Nach dem Durchströmen dieses letzten Abschnitts 29 werden im Bereich C 7 Mol/h an Wasserstoff verbleiben, so dass sich auf den gesamten Anodenraum 7 betrachtet ein Gesamtüberschuss 1,05 einstellt, bei einem im Bereich C vorhandenen Druck von 1, 9 bara und einem entsprechenden Wasserstoffpartialdruck von 0,08 bara bei 4 Wasserstoff.This stream of hydrogen gas flowing in region A is placed on three of the sections 29 divided in parallel, resulting in a hydrogen amount of 50.3 mol / h of hydrogen for each section under said pressure conditions and a hydrogen excess of 1.4 for each of the sections 29 results. After flowing through the three parallel sections 29 and collecting the exhaust gas from these sections, a pressure of 1.95 bar a at 43 mol / h of hydrogen will be established in area B. Due to the still existing hydrogen concentration of 19%, a hydrogen partial pressure in the order of 0.37 bar a will occur. The remaining hydrogen corresponds to a total excess of 1.2 for the following section 29 , which has approximately the same active cell area as the previously described sections 29 , In the case shown here so also the section 29 from fifteen parallel single cells 30 consist. After flowing through this last section 29 will remain in the range C 7 mol / h of hydrogen, so that affects the entire anode space 7 considers a total surplus 1 . 05 at a pressure in the region C of 1.9 bar a and a corresponding hydrogen partial pressure of 0.08 bar a at 4 hydrogen.

Der Aufbau mit der hier dargestellten Kaskadierung zeigt also, dass jeder der Abschnitte 29 unter vergleichsweise guten Bedingungen mit relativ hohem Überschuss an Wasserstoff angeströmt werden kann, wodurch der Gesamtüberschuss an Wasserstoff bezogen auf den gesamten Anodenraum 7 dennoch vergleichsweise niedrig, hier bei 1,05 liegt.The structure with the cascading shown here thus shows that each of the sections 29 With relatively high excess of hydrogen can be flowed under relatively good conditions, whereby the total excess of hydrogen based on the total anode space 7 nevertheless comparatively low, here at 1.05.

In 5 ist ein hierzu vergleichbarer Aufbau dargestellt, wobei in 5 prinzipiell ein Fließfeld 31 als Reaktionsstoffzuführung angedeutet sein soll. Derartige Fließfelder, welche üblicherweise auch mit dem englischen Begriff "flow field" bezeichnet werden, dienen der Zufuhr der Reaktionsstoffe – hier wiederum auf das Beispiel des Anodenbereichs bezogen, des Wasserstoffs – in den Bereich der PE-Membran 9 jeder der Einzelzellen 30. In dem in 4 beschriebenen Beispiel, bei dem jeweils mehrere von ihren Reaktionsstoffen wenigstens annähernd homogen angeströmte Zellen parallel zu einem Abschnitt zusammengefasst sind, könnte, in 5 dargestellt, auch jede Einzelzelle 30 aufgrund der Ausgestaltung ihres Fließfelds 31 so aufgebaut sein, dass sich im Bereich jeder Einzelzelle 30 die Abschnitte 29' derart ausbilden, dass jeder der Abschnitte 29' eine vergleichbar große Fläche der PE-Membran 9 mit Wasserstoff versorgt, und dass diese Abschnitte 29' des Fließfelds 31 in der oben bereits erläuterten Art miteinander verschaltet sind.In 5 a comparable construction is shown, in 5 in principle a flow field 31 should be indicated as a reagent feed. Such flow fields, which are also commonly referred to by the English term "flow field", are used to supply the reactants - again based on the example of the anode region, the hydrogen - in the region of the PE membrane 9 each of the single cells 30 , In the in 4 described example, in which each of several of their reactants at least approximately homogeneously flowed cells are combined in parallel to a section could, in 5 represented, also every single cell 30 due to the design of their flow field 31 be constructed so that in the area of each individual cell 30 the sections 29 ' train so that each of the sections 29 ' a comparably large area of the PE membrane 9 supplied with hydrogen, and that these sections 29 ' of the flow field 31 are interconnected in the manner already explained above.

Beide Ausgestaltungen lassen sich dabei in einen einzigen Brennstoffzellenstapel 2 integrieren, wobei bei der Ausgestaltung gemäß 4 lediglich einige Trennelemente zwischen den einzelnen Abschnitten entsprechend modifiziert werden müssen, um die beschriebene Strömungsführung zu ermöglichen, während bei der Ausgestaltung gemäß 5 sämtliche Fließfelder angepasst werden müssten.Both embodiments can be in a single fuel cell stack 2 integrate, wherein in the embodiment according to 4 only a few separating elements between the individual sections must be modified accordingly in order to allow the described flow guidance, while in the embodiment according to 5 all flow fields would have to be adjusted.

Neben dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel mit einer Kaskadierung 3:1 werden selbstverständlich auch andere Ausführungsformen denkbar. Die Überlegung und Versuche des Erfinders haben hier gezeigt, dass ein Weg hin zu einem größeren Faktor, beispielsweise 4:1, 5:1 und dergleichen durchaus sinnvoll wäre, da dann mehr Anschnitte 29 bzw. 29' mit einem sehr hohen Überschuss und entsprechend hohem Wasserstoffpartialdruck angeströmt werden würden. Es muss hierbei nach Möglichkeit jedoch ein Optimum zwischen konstruktivem Aufwand und Nutzen realisiert werden, welches sich für Brennstoffzellensystem 1 mit Leistung bis zu 100 kWel sicherlich in der hier dargestellten Ausgestaltung der Kaskadierung in Verhältnis 3:1 findet.In addition to the embodiment shown here with a cascading 3 Of course, other embodiments are also conceivable. The consideration and experiments of the inventor have shown here that a way to a larger factor, for example 4: 1, 5: 1 and the like would be quite useful, because then more cuts 29 respectively. 29 ' would be flowed with a very high excess and correspondingly high hydrogen partial pressure. However, if possible, an optimum between constructive effort and utility has to be realized, which stands for fuel cell system 1 with power up to 100 kW el certainly in the embodiment of cascading shown here in the ratio 3: 1 finds.

Bevor abschließend auf die bevorzugten Verwendungsmöglichkeiten eines derartigen Brennstoffzellensystems 1 eingegangen werden soll, wird anhand der Ausgestaltung des Brennstoffzellensystems 1 in 6 nochmals anhand eines sehr konkreten Zahlenbeispiels erläutert werden, welches sich auf ein Brennstoffzellensystem 1 als Hilfsenergieerzeuger (APU) bezieht, wobei dieser eine elektrische Nennleistung von 5 kWel aufweisen soll.Before concluding, the preferred uses of such a fuel cell system 1 will be discussed, is based on the design of the fuel cell system 1 in 6 be explained again using a very concrete numerical example, which refers to a fuel cell system 1 as an auxiliary power generator (APU), which should have a nominal electrical power of 5 kW el .

Die Ausgestaltung des Brennstoffzellensystems 1 gemäß 6 entspricht dabei über weite Strecke dem in 2 bereits ausführlich beschriebenen Brennstoffzellensystem 1, ohne eine Berücksichtigung der kaltstartrelevanten Elemente und mit einer exemplarischen Darstellung der Kaskadierung des Anoden raums 7, so dass hier nicht weiter auf die funktionellen Details eingegangen werden soll. Nachfolgend soll lediglich anhand der in den jeweiligen Bereichen des Brennstoffzellensystems herrschenden Temperaturen, Drücken, erforderlichen Kühlleistungen und dergleichen ein Zahlenbeispiel für die oben gemachten Ausführungen angegeben werden. Dieses Zahlenbeispiel in 6 sollte unter Bezugnahme auf die in 2 bereits gemachten Erläuterungen eigentlich selbst erklärend sein, so dass hier lediglich einige der Bezeichnungen kurz erläutert werden sollen.The embodiment of the fuel cell system 1 according to 6 corresponds to the long distance in the 2 already described in detail fuel cell system 1 , without taking into account the cold start relevant elements and with an exemplary representation of the cascading of the anode space 7 , so that it should not be further discussed here on the functional details. In the following, only by means of the prevailing temperatures, pressures, required cooling capacities and the like in the respective areas of the fuel cell system, a numerical example for the above statements will be given. This numerical example in 6 should with reference to the in 2 Explanations already made should actually be self-explanatory, so that only a few of the terms should be briefly explained here.

Die mit P bezeichneten Werte geben den Druck im jeweiligen Bereich an, wobei die in der Zeichnung gewählte Einheit "bara" selbstverständlich als [barg] zu verstehen ist. Die mit PH2O bezeichneten Werte dementsprechend den Partialdruck des in diesem Bereich befindlichen Wasserdampfs. Die Werte H2-St. und O2-St. bezeichnen die jeweiligen stöcheometrischen Überschüsse des Wasserstoffs bzw. Sauerstoffs. Die fettgedruckten mit [°C] gekennzeichneten Zahlenwerte geben die Temperaturen des Reformatgases im jeweiligen Bereich des Gaserzeugungssystems 3 bzw, des, hier nicht explizit dargestellten Kühlkreislaufs 22 beim Eintritt und beim Austritt aus dem Brennstoffzellenstapel 2 an. Mit R wird die relative Feuchte bezeichnet, während TP den Taupunkt den Gemischs bei den jeweils vorliegenden Bedingungen kennzeichnet. Mit S/C wird das sogenannte Steam-to-Carbon-ratio, also das Verhältnis von Wasserdampf zu Kohlenstoff bezeichnet, während λ die Luftzahl wiederspiegelt. Die in 6 in [W] angegebenen Leistungen im Bereich der Wärmetauscher 19, 21, 23 stellen die beim regulären Betrieb an diesen Stellen erforderlichen Kühlleistungen für das Reformatgas bzw. wasserstoffhaltige Gas dar, welche entweder durch den Kühlkreislauf 22 abgeführt werden oder zur Erwärmung der Edukte vor dem autothermen Reformer 4 dienen. Als letztes wären noch die Bezeichnungen U: zu erläutern, welche die entsprechenden Umsätze im Bereich der Shiftstufe 5a bzw. der Kombination aus Shiftstufe 5b und Feingasreinigung 6 darstellen.The values indicated by P indicate the pressure in the respective area, whereby the unit "bara" selected in the drawing is of course to be understood as [barg]. The values indicated by PH2O accordingly represent the partial pressure of the water vapor in this area. The values H2-St. and O2-St. denote the respective stoichiometric excesses of hydrogen or oxygen. The bold numbers marked with [° C] give the temperatures of the reformate gas in the respective area of the gas generating system 3 or, of the cooling circuit 22, not explicitly shown here, when entering and exiting the fuel cell stack 2 on. R is the relative humidity, while TP is the dew point of the mixture under the prevailing conditions. With S / C, the so-called steam-to-carbon ratio, ie the ratio of water vapor to carbon, while λ represents the air ratio. In the 6 in [W] specified in the field of heat exchangers 19 . 21 . 23 represent the required during normal operation at these locations cooling capacities for the reformate gas or hydrogen-containing gas, which either through the cooling circuit 22 be removed or to heat the reactants before the autothermal reformer 4 serve. Finally, the terms U: to explain which the corresponding sales in the shift stage 5a or the combination of shift level 5b and fine gas cleaning 6 represent.

In 7 soll abschließend die bevorzugte Einsatzmöglichkeit des Brennstoffzellensystems 1 erläutert werden. In 7 ist ein Teil eines prinzipmäßig angedeuteten Transportmittels 32 zu erkennen, welches hier als Kraftfahrzeug 32 für den Transport von Personen oder Gegenständen auf dem Lande ausgebildet ist. Das Transportmittel 32 könnte analog hierzu auch als Schiff, Flugzeug oder dergleichen ausgebildet sein. Das in 7 dargestellte Transportmittel verfügt über ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem 1, sowie einen optionale Verbrennungsmotor 33, welcher z.B. dem Vortrieb des Transportmittels 32 dienen kann. Auf einen derartigen Verbrennungsmotor 33 kann jedoch auch verzichtet werden, wenn die elektrische Energie aus dem Brennstoffzellensystem 1 nicht nur zur Versorgung von elektrischen Energieverbrauchern in dem Transportmittel 32, wie beispielsweise Klimaanlagen, Navigationssysteme, Elektronikkomponenten und dergleichen genutzt wird, sondern wenn ein Teil der Energie des Brennstoffzellensystems 1 auch für Antriebszwecke der Transportmittels 32 genutzt wird. Unabhängig von der Ausgestaltung des Brennstoffzellensystems 1 als APU oder als Antriebsenergielieferant ist in dem Transportmittel 32 in an sich bekannter Weise ein Kühler 34 vorgesehen, welcher entweder mit dem Kühlkreislauf 22 des Brennstoffzellensystems 1 gekoppelt ist oder welcher unmittelbar dem im Rahmen des Brennstoffzellensystems 1 beschriebenen Kühler 26 entspricht.In 7 is finally the preferred use of the fuel cell system 1 be explained. In 7 is part of a transport means indicated in principle 32 to recognize, which here as a motor vehicle 32 is designed for the transport of persons or objects in the countryside. The means of transport 32 could analogously be designed as a ship, aircraft or the like. This in 7 shown transport has a fuel cell system according to the invention 1 , as well as an optional internal combustion engine 33 , which eg the propulsion of the means of transport 32 can serve. On such an internal combustion engine 33 However, it can also be dispensed with if the electrical energy from the fuel cell system 1 not just to supply electrical energy consumers in the means of transport 32 , such as air conditioners, navigation systems, electronic components and the like is used, but if a part of the energy of the fuel cell system 1 also for drive purposes of the means of transport 32 is being used. Regardless of the design of the fuel cell system 1 as an APU or as a propulsion energy supplier is in the means of transport 32 in a conventional manner, a cooler 34 provided, which either with the cooling circuit 22 of the fuel cell system 1 is coupled or which directly in the context of the fuel cell system 1 described cooler 26 equivalent.

Der besondere Vorteil des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 1 beim Einsatz in dem Transportmittel 32 liegt nun darin, dass dieses Brennstoffzellensystem 1 sehr klein, sehr kompakt und mit einer vergleichsweise geringen Anzahl an Einzelkomponenten aufgebaut werden kann. Das System wird dadurch klein, leicht und kostengünstig, so dass es sich für den Einsatz in dem Kraftfahrzeug 32 prädestiniert. Außerdem kann durch den Verzicht auf Flüssigwasser ein Betrieb und insbesondere ein Start des Brennstoffzellensystems 1 auch bei Temperaturen deutlich unter dem Gefrierpunkt erfolgen. Die Ge fahr eines Einfrierens ist aufgrund des fehlenden Flüssigwassers im Bereich des Brennstoffzellensystems 1 prinzipbedingt ausgeschlossen. Lediglich im Bereich des Kühlkreislaufs 22 ist ein flüssiges Kühlmedium vorhanden, da dieses jedoch nicht zur Reformierung genutzt wird und damit nicht die entsprechenden Anforderungen an dessen Reinheit gestellt werden müssen, kann hier ein herkömmliches Wasser-Frostschutzmittel-Gemisch, wie z.B. ein Wasser-Glykol-Gemisch eingesetzt werden.The particular advantage of the fuel cell system 1 according to the invention when used in the means of transport 32 lies in the fact that this fuel cell system 1 very small, very compact and can be constructed with a comparatively small number of individual components. The system thereby becomes small, lightweight and inexpensive, making it suitable for use in the motor vehicle 32 predestined. In addition, by dispensing with liquid water operation and in particular a start of the fuel cell system 1 even at temperatures well below freezing. The risk of freezing is due to the lack of liquid water in the area of the fuel cell system 1 principle excluded. Only in the area of the cooling circuit 22 If a liquid cooling medium is present, but since this is not used for reforming and thus does not have to be made the appropriate requirements for its purity, a conventional water-antifreeze mixture, such as a water-glycol mixture can be used here.

Bei einer Ausgestaltung des Brennstoffzellensystems 1 als APU, deren Abgase dem Verbrennungsmotor 33 zugeführt werden, lässt sich bei dem durch 6 beschriebenen System ein Gesamtwirkungsgrad von 40 % erzielen. Die 5 kWel-APU erzielt dann eine Nettoleistung von 4 kWel, wobei sich die Wirkungsgrade auf einen Brennstoffzellenstapelwirkungsgrad von 52 einen Wirkungsgrad des Gaserzeugungssystems von 94 % und einen Wirkungsgrad der Elektronikkomponenten von 80 % aufteilen.In one embodiment of the fuel cell system 1 as APU, whose exhaust gases are the internal combustion engine 33 be fed, can be in the by 6 achieve a total efficiency of 40%. The 5 kW el- APU then achieves a net output of 4 kW el , with efficiencies based on a fuel cell stack efficiency of 52 an efficiency of the gasifier distribution system of 94% and an electronic component efficiency of 80%.

Wird für dieselbe APU der Betrieb als reine Stand-APU also ohne den laufenden Verbrennungsmotor 33 angenommen, so ergibt sich ein Wirkungsgrad von 35 %, da beispielsweise die Kühlung nicht gemeinsam mit dem Motor genutzt werden kann und da die Reststoffe nicht im Motor verbrannt sondern in einer Abgasanlage anderweitig entsorgt werden müssen. Dieser Wirkungsgrad von 35 % teilt sich dann wieder auf den Brennstoffzellenstapel mit 52 %, das Gaserzeugungssystem 3 in diesem Fall mit 86 % sowie die Elektronik mit 76 % auf. Eine Nettoleistung von 3,8 kWel ist zu erzielen.Will for the same APU the operation as a pure stand-APU without the running internal combustion engine 33 assumed, this results in an efficiency of 35%, since, for example, the cooling can not be used together with the engine and because the residues are not burned in the engine but must be disposed of elsewhere in an exhaust system. This efficiency of 35% then divides again on the fuel cell stack with 52%, the gas generating system 3 in this case with 86% as well as the electronics with 76% up. A net output of 3.8 kW el can be achieved.

Selbstverständlich sind neben den konkret dargestellten Varianten des Brennstoffzellensystems 1 in den vorhergehenden Figuren auch alle anderen denkbaren Kombinationen der für das Brennstoffzellensystem 1 in der hier beschriebenen Art charakteristischen Komponenten untereinander zu einem System denkbar und fallen unter den Umfang der Erfindung.Of course, in addition to the specifically illustrated variants of the fuel cell system 1 in the preceding figures, all other conceivable combinations of the fuel cell system 1 in the manner described here characteristic components with each other to form a system conceivable and fall within the scope of the invention.

Claims (32)

Brennstoffzellensystem mit wenigstens einer Brennstoffzelle, insbesondere einer PEM-Brennstoffzelle, und einem Gaserzeugungssystem, welches aus Luft, Wasser und einem kohlenwasserstoffhaltigen Ausgangsstoff, insbesondere Benzin oder Diesel, mittels eines autothermen Reformers ein wasserstoffreiches Gas erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass das gesamte im Bereich des Gaserzeugungssystems (3) benötigte Wasser als Wasserdampf aus dem Bereich der wenigstens einen Brennstoffzelle (Brennstoffzellenstapel 2) in den Bereich des Gaserzeugungssystems (3) gelangt.Fuel cell system with at least one fuel cell, in particular a PEM fuel cell, and a gas generating system which generates a hydrogen-rich gas from air, water and a hydrocarbon-containing starting material, in particular gasoline or diesel, by means of an autothermal reformer, characterized in that the entire in the region of the gas generating system ( 3 ) required water as water vapor from the range of at least one fuel cell (fuel cell stack 2 ) in the area of the gas generating system ( 3 ). Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für Wasserdampf selektiv durchlässigen Membranen (13) zur Abtrennung des dem Gaserzeugungssystem (3) zugeführten Wasserdampfs zumindest aus dem Kathodenabgas der Brennstoffzelle (Brennstoffzellenstapel 2) vorgesehen sind.Fuel cell system according to claim 1, characterized in that for water vapor selectively permeable membranes ( 13 ) for separating the gas generating system ( 3 ) supplied water vapor at least from the cathode exhaust gas of the fuel cell (fuel cell stack 2 ) are provided. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass neben der Abtrennung des Wasserdampfs für das Gaserzeugungssystem (3) auch die Befeuchtung des der wenigstens einen Brennstoffzelle (Brennstoffzellenstapel 2) kathodenseitig zugeführten Reaktionsstoffes, insbesondere Luft, durch das Kathodenabgas mittels für Wasserdampf se lektiv durchlässigen Membranen (13) erfolgt, wobei die Membranen (13) für die Abtrennung und die Befeuchtung in einem Membranmodul (11) zusammengefasst sind.Fuel cell system according to claim 2, characterized in that in addition to the separation of the water vapor for the gas generating system ( 3 ) Also, the humidification of the at least one fuel cell (fuel cell stack 2 ) cathode-side supplied reactant, in particular air, through the cathode exhaust gas by means of septically permeable to water vapor membranes ( 13 ), the membranes ( 13 ) for separation and humidification in a membrane module ( 11 ) are summarized. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranen (13) als Hohlfasermembranen ausgebildet sind.Fuel cell system according to claim 3, characterized in that the membranes ( 13 ) are formed as hollow fiber membranes. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch seine Ausbildung ohne Komponenten zur Handhabung von flüssigem Wasser.Fuel cell system according to one of claims 1 to 4, characterized by its design without components for handling from liquid Water. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserdampf vor dem Eintritt in den autothermen Reformer (4) durch einen Wärmetauscher (19) strömt, welcher von dem aus dem autothermen Reformer (4) strömenden Reformat beheizt ist.Fuel cell system according to one of claims 1 to 5, characterized in that the water vapor before entering the autothermal reformer ( 4 ) through a heat exchanger ( 19 ), which flows from that from the autothermal reformer ( 4 ) flowing reformate is heated. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass dem Wasserdampf vor dem Eintritt in den Wärmetauscher (19) der kohlenwasserstoffhaltige Ausgangsstoff zugeführt ist.Fuel cell system according to claim 6, characterized in that the water vapor before entering the heat exchanger ( 19 ) is fed to the hydrocarbon-containing starting material. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Transport des Wasserdampfs in den Bereich des Gaserzeugungssystems (3) durch ein Fördermittel (16) erfolgt.Fuel cell system according to one of claims 1 to 7, characterized in that a transport of the water vapor in the region of the gas generating system ( 3 ) by a grant ( 16 ) he follows. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Transport des Wasserdampfs durch einen Transportgasstrom unterstützt ist.Fuel cell system according to one of claims 1 to 8, characterized in that a transport of the water vapor through supports a transport gas flow is. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, dass der Transportgasstrom durch die dem autothermen Reformer (4) zugeführte Luft gebildet ist.Fuel cell system according to claim 9, characterized in that the transport gas flow through the autothermal reformer ( 4 ) supplied air is formed. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die dem autothermen Reformer (4) zugeführte Luft erst unmittelbar vor dem autothermen Reformer (4) mit dem Wasserdampf zusammengeführt ist.Fuel cell system according to one of claims 1 to 8, characterized in that the autothermal reformer ( 4 ) supplied air immediately before the autothermal reformer ( 4 ) is brought together with the water vapor. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Gaserzeugungssystem (3) zwischen wenigstens einer ersten Wassergasshiftstufe (5,5a) und einer weiteren Wassergasshiftstufe (5b) und/oder einer Feingasreinigung (6) ein von einem Kühlmedium durchströmter Wärmetauscher (21) in dem Reformatgasstrom vorgesehen ist, dessen Kühlleistung durch das Kühlmedium unabhängig regelbar ist.Fuel cell system according to one of claims 1 to 11, characterized in that in the gas generating system ( 3 ) between at least one first water gas shift stage ( 5 . 5a ) and another Wassergasshiftstufe ( 5b ) and / or a fine gas cleaning ( 6 ) a heat exchanger through which a cooling medium flows ( 21 ) is provided in the reformate gas stream, the cooling capacity is independently controlled by the cooling medium. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmedium in allem Betriebszuständen flüssig vorliegt.Fuel cell system according to one of claims 12, characterized in that the cooling medium is liquid in all operating conditions. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Wassergasshiftstufe (5a) als Hochtemperaturshiftstufe ausgebildet ist, woran sich nach dem Wärmetauscher (21) eine Niedertemperaturshiftstufe als weitere Wassergasshiftstufe (5b) und unmittelbar daran die Feingasreinigung (6) anschließt.Fuel cell system according to claim 12 or 13, characterized in that the first water gas shift stage ( 5a ) is designed as a high-temperature shift stage, followed by the heat exchanger ( 21 ) a low temperature shift stage as further water-gas shift stage ( 5b ) and immediately the fine gas cleaning ( 6 ). Brennstoffzellensystem nach Anspruch 12, 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Feingasreinigung (6) als Methanisierung ausgebildet ist.Fuel cell system according to claim 12, 13 or 14, characterized in that the fine gas cleaning ( 6 ) is designed as methanation. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Gaserzeugungssystem (3) und der wenigstens einen Brennstoffzelle (Brennstoffzellenstapel 2) ein Wärmetauscher (23) vorgesehen ist, welcher in einen die wenigstens eine Brennstoffzelle umfassenden Brennstoffzellenstapel (2) integriert ist.Fuel cell system according to one of claims 1 to 15, characterized in that between the gas generating system ( 3 ) and the at least one fuel cell (fuel cell stack 2 ) a heat exchanger ( 23 ) which is provided in a fuel cell stack comprising the at least one fuel cell ( 2 ) is integrated. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des Gaserzeugungssystems (3) ein Brenner (20) vorgesehen ist, welcher ausschließlich zum Starten des Gaserzeugungssystems (3) dient.Fuel cell system according to one of claims 1 to 16, characterized in that in the region of the gas generating system ( 3 ) a burner ( 20 ), which is used exclusively for starting the gas generating system ( 3 ) serves. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass eine Luftzuführung in den Bereich der wenigstens einen Wassergasshiftstufe (5,5a,5b) vorgesehen ist.Fuel cell system according to one of claims 12 to 17, characterized in that an air supply in the region of at least one water gas shift stage ( 5 . 5a . 5b ) is provided. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 2 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass um den Anodenbereich (7) der Brennstoffzelle (Brennstoffzellenstapel 2) eine Bypassleitung (28), zur Zuführung des erzeugten Gases in das Kathodenabgas der Brennstoffzelle (Brennstoffzellenstapel 2) vor der Abtrennung (Membranmodul 11) des Wasserdampfs, vorgesehen ist.Fuel cell system according to one of claims 2 to 18, characterized in that around the anode region ( 7 ) of the fuel cell (fuel cell stack 2 ) a bypass line ( 28 ), for supplying the generated gas into the cathode exhaust gas of the fuel cell (fuel cell stack 2 ) before separation (membrane module 11 ) of the water vapor, is provided. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Bypassleitung (28) das erzeugte Gas zumindest teilweise nach der Feingasreinigung (6) und vor dem durchströmen des in den Brennstoffzellenstapel (2) integ rierten Wärmetauschers (23) um den Anodenbereich (7) der Brennstoffzelle (Brennstoffzellenstapel 2) leitet.Fuel cell system according to claim 19, characterized in that the bypass line ( 28 ) the gas produced at least partially after the fine gas cleaning ( 6 ) and before flowing into the fuel cell stack ( 2 ) integrated heat exchanger ( 23 ) around the anode region ( 7 ) of the fuel cell (fuel cell stack 2 ). Brennstoffzellensystem nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Bypassleitung (28) das erzeugte Gas zumindest teilweise nach dem durchströmen des in den Brennstoffzellenstapel (2) integrierten Wärmetauschers (23) um den Anodenbereich (7) der Brennstoffzelle (Brennstoffzellenstapel 2) leitet.Fuel cell system according to claim 19 or 20, characterized in that the bypass line ( 28 ) the gas generated at least partially after flowing into the fuel cell stack ( 2 ) integrated heat exchanger ( 23 ) around the anode region ( 7 ) of the fuel cell (fuel cell stack 2 ). Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrodenbereich (7,8) der wenigstens einen Brennstoffzelle (Brennstoffzellenstapel 2) in mehrere einzelne Abschnitte (29) unterteilt ist, wobei dem Elektrodenbereich (7,8) Reaktionsstoffe, insbesondere Wasserstoff und Luft, in einer Menge zugeführt werden, welche größer als die Menge der im Elektrodenbereich (7,8) umsetzbaren Reaktionsstoffe ist, und wobei die Abschnitte (29) des Elektrodenbereichs (7,8) so angeordnet sind, dass die Reaktionsstoffe zuerst eine erste Anzahl von Abschnitten (29) der jeweiligen Elektrodenbereiche (7,8) parallel und in Strömungsrichtung danach wenigstens eine weitere, kleinere Anzahl an Abschnitten (29) durchtrömen.Fuel cell system according to one of claims 1 to 21, characterized in that the electrode area ( 7 . 8th ) of the at least one fuel cell (fuel cell stack 2 ) into several individual sections ( 29 ), wherein the electrode area ( 7 . 8th ) Reactants, in particular hydrogen and air, are supplied in an amount which is greater than the amount in the electrode region ( 7 . 8th ) reactant reactants, and wherein the sections ( 29 ) of the electrode area ( 7 . 8th ) are arranged so that the reactants first a first number of sections ( 29 ) of the respective electrode areas ( 7 . 8th ) parallel and in the flow direction thereafter at least one further, smaller number of sections ( 29 ). Brennstoffzellensystem nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschnitte (29) der Elektrodenbereiche (7,8) jeweils eine wenigstens annähernd gleich große aktive Zellfläche aufweisen.Fuel cell system according to claim 22, characterized in that the sections ( 29 ) of the electrode areas ( 7 . 8th ) each have an at least approximately the same size active cell surface. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Anzahl um zumindest den Faktor drei größer als die wenigsten eine weitere Anzahl ist.Fuel cell system according to claim 22 or 23, characterized in that the first number by at least the factor three bigger than the least one more number is. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 22, 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschnitte (29) durch die Ausgestaltung der Reaktionsstoffzuführung (Fließfeld 31) im Bereich jeder einzelnen der wenigstens einen Brennstoffzelle (Brennstoffzellenstapel 2) ausgebildet ist.Fuel cell system according to claim 22, 23 or 24, characterized in that the sections ( 29 ) by the configuration of the reagent feed (flow field 31 ) in the region of each one of the at least one fuel cell (fuel cell stack 2 ) is trained. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 22 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschnitte (29) jeweils durch mehrere parallel geschaltete einzelne Brennstoffzellen (30) gebildet sind.Fuel cell system according to one of claims 22 to 25, characterized in that the sections ( 29 ) in each case by a plurality of individual fuel cells ( 30 ) are formed. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass alle Abschnitte (29) zu einem einzigen Brennstoffzellenstapel (2) zusammengefasst sind.Fuel cell system according to claim 26, characterized in that all sections ( 29 ) to a single fuel cell stack ( 2 ) are summarized. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 22 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass der in die Abschnitte (29) unterteilte Elektrodenbereich der Anodenbereich (7) der wenigstens einen Brennstoffzelle (Brennstoffzellenstapel 2) ist.Fuel cell system according to one of Claims 22 to 27, characterized in that the 29 ) divided electrode area of the anode area ( 7 ) of the at least one fuel cell (fuel cell stack 2 ). Verwendung des Brennstoffzellensystems nach einem der Ansprüche 1 bis 28 als Hilfsenergieerzeuger (RPU).Use of the fuel cell system after a the claims 1 to 28 as auxiliary power generator (RPU). Verwendung nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass der Hilfsenergieerzeuger (APU) in einem Transportmittel (32) zu Lande, im Wasser oder in der Luft.Use according to claim 29, characterized in that the auxiliary power generator (APU) in a means of transport ( 32 ) on land, in the water or in the air. Verwendung nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass das Transportmittel (32) zumindest teilweise durch einen Verbrennungsmotor (33) angetrieben ist, wobei die anodenseitigen Abgase der wenigstens einen Brennstoffzelle (Brennstoffzellenstapel 2) dem Verbrennungsmotor (33) zugeführt werden.Use according to claim 30, characterized in that the means of transport ( 32 ) at least partially by an internal combustion engine ( 33 ), wherein the anode-side exhaust gases of the at least one fuel cell (fuel cell stack 2 ) the internal combustion engine ( 33 ). Verwendung des Brennstoffzellensystems nach einem der Ansprüche 1 bis 28 zum Erzeugen zumindest eines Teils der Antriebsenergie für ein Transportmittel (32) zu Lande, im Wasser oder in der Luft.Use of the fuel cell system according to any one of claims 1 to 28 for generating at least part of the drive energy for a means of transport ( 32 ) on land, in the water or in the air.
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