DE19904711C2

DE19904711C2 - Fuel cell system with integrated hydrogen generation

Info

Publication number: DE19904711C2
Application number: DE19904711A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Konrad; Arnold Lamm
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Enymotion GmbH
Priority date: 1999-02-05
Filing date: 1999-02-05
Publication date: 2002-02-07
Anticipated expiration: 2019-02-06
Also published as: DE19904711A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Brennstoffzellensystem mit wenigstens einer Brennstoffzelle und einer Wasserstofferzeugungsanlage zur Speisung der Brennstoffzellenanode mit einem wasserstoffhaltigen, gereinigten Produktgas einer Umsetzungsreaktion eines Kohlenwasserstoff- oder Kohlenwasserstoffderivats-Einsatzstoffes, die einen Wasserstofferzeugungsreaktor, in dessen Reaktionsraum der Einsatzstoff in ein wasserstoffhaltiges Produktgas umgesetzt wird, und eine nachgeschaltete Gasreinigungsstufe zur Reinigung des Produktgases von Anodenschadgas umfaßt, sowie mit Sauerstoffzufuhrmitteln zur Zuführung eines sauerstoffhaltigen Gases in den Reaktionsraum und/oder in die Gasreinigungsstufe. DOLLAR A Erfindungsgemäß umfassen die Sauerstoffzufuhrmittel eine in den Reaktionsraum des Wasserstofferzeugungsreaktors und/oder in die Gasreinigungsstufe führende Kathodenabgas-Rückführleitung zur Einspeisung wenigstens eines Teils des Brennstoffzellen-Kathodenabgases in den Reaktionsraum und/oder in die Gasreinigungsstufe. DOLLAR A Verwendung z. B. in Brennstoffzellenfahrzeugen.The invention relates to a fuel cell system with at least one fuel cell and a hydrogen production system for supplying the fuel cell anode with a hydrogen-containing, purified product gas of a reaction of reaction of a hydrocarbon or hydrocarbon derivative feedstock, which comprises a hydrogen generation reactor, in the reaction chamber of which the feedstock is converted into a hydrogen-containing product gas. and comprises a downstream gas cleaning stage for cleaning the product gas from anode harmful gas, and with oxygen supply means for supplying an oxygen-containing gas into the reaction space and / or into the gas cleaning stage. DOLLAR A According to the invention, the oxygen supply means comprise a cathode exhaust gas return line leading into the reaction chamber of the hydrogen generation reactor and / or into the gas cleaning stage for feeding at least a part of the fuel cell cathode exhaust gas into the reaction chamber and / or into the gas cleaning stage. DOLLAR A use e.g. B. in fuel cell vehicles.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Brennstoffzellensystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a fuel cell system according to the preamble of claim 1.

In solchen Systemen wird der wenigstens einen Brennstoffzelle anodenseitig als Brennstoff ein wasserstoffhaltiges Gas, vor zugsweise möglichst reiner Wasserstoff, zugeführt, das von einer der Anode vorgeschalteten Wasserstofferzeugungsanlage durch ent sprechende Umsetzung eines Kohlenwasserstoff- oder Kohlenwasser stoffderivat-Einsatzstoffs, wie Benzin, Diesel und Methanol, er zeugt werden kann. Dem Reaktor, in dessen zumeist mit einem ge eigneten Katalysatormaterial belegten Reaktionsraum die Um setzungsreaktion stattfindet, ist eine Gasreinigungsstufe nach geschaltet, um das im Reaktor erzeugte Produktgas von Anoden schadgas, d. h. von für die Brennstoffzellenanode schädlichen Gasbestandteilen, zu reinigen, z. B. von Kohlenmonoxid. Der Was serstofferzeugungsanlage sind Sauerstoffzufuhrmittel zugeordnet, die dem Reaktionsraum und/oder der Gasreinigungsstufe ein sauer stoffhaltiges Gas zuführen. Der darin enthaltene Sauerstoff kann je nach Anwendungsfall an der Umsetzungsreaktion teilnehmen oder in der Gasreinigungsstufe zur Oxidation von Anodenschadgas ge nutzt werden.In such systems, the at least one fuel cell a hydrogen-containing gas on the anode side as fuel preferably pure hydrogen, supplied by a the anode upstream hydrogen generation plant by ent speaking implementation of a hydrocarbon or hydro Substance derivative feed, such as gasoline, diesel and methanol, he can be fathered. The reactor, usually with a ge suitable catalyst material occupied the reaction area settlement reaction takes place, is a gas cleaning stage after switched to the product gas generated in the reactor by anodes noxious gas, d. H. of harmful to the fuel cell anode Gas components to clean, e.g. B. of carbon monoxide. The what Oxygen supply means are assigned to the which is an acid in the reaction chamber and / or the gas cleaning stage Supply substance-containing gas. The oxygen it contains can depending on the application, participate in the implementation reaction or in the gas cleaning stage for the oxidation of anode harmful gas be used.

Derartige Brennstoffzellensysteme mit integrierter Wasserstoff erzeugung werden in jüngerer Zeit verstärkt für den Einsatz in Brennstoffzellenfahrzeugen in Betracht gezogen, in denen dann der Kohlenwasserstoff- oder Kohlenwasserstoffderivat-Einsatz stoff vorzugsweise in flüssiger Form mitgeführt und die Brennstoffzellen dennoch mit Wasserstoff und folglich mit entspre chend hohem Wirkungsgrad betrieben werden können, ohne daß volu minöse und schwere Wasserstoffspeicher benötigt werden.Such fuel cell systems with integrated hydrogen production have recently been strengthened for use in Fuel cell vehicles are considered in which then the use of hydrocarbons or hydrocarbons preferably carried in liquid form and the fuel cells nevertheless with hydrogen and consequently with correspond chend high efficiency can be operated without volu minous and heavy hydrogen storage are needed.

Bei einem bekannten Systemtyp dient zur Wasserstofferzeugung ei ne Reformierungsanlage, in welcher der Einsatzstoff durch eine endotherme Wasserdampfreformierungsreaktion, ggf. mit einer par tiellen Oxidationsreaktion zu einem autothermen Umsetzungsprozeß kombiniert, umgesetzt wird. Dabei entsteht ein wasserstoffrei ches Produktgas, das typischerweise Kohlenmonoxid in einem für die Brennstoffzellenanode schädlichen Anteil enthält. In der Gasreinigungsstufe wird dieser CO-Anteil auf ein unschädliches Maß verringert, z. B. durch Umwandlung in Kohlendioxid mittels Oxidation unter Sauerstoffeinfluß oder über die Wassergasgleich gewichtsreaktion unter Wasserdampfeinfluß. Die Sauerstoffzufuhr mittel sorgen für den benötigten Sauerstoff im Reaktionsraum des Reaktors und/oder in der Gasreinigungsstufe. Außerdem wird dem Reformierungsreaktionsraum neben dem Einsatzstoff der benötigte Wasserdampf zugeführt.In a known system type, egg is used for hydrogen generation ne reforming plant, in which the feed material through a endothermic steam reforming reaction, if necessary with a par tial oxidation reaction to an autothermal implementation process combined, implemented. This creates a hydrogen-free ches product gas, which is typically carbon monoxide in one for the fuel cell anode contains a harmful portion. In the Gas cleaning stage, this proportion of CO is harmless Measure reduced, e.g. B. by conversion to carbon dioxide Oxidation under the influence of oxygen or via the water gas equation weight reaction under the influence of water vapor. The oxygen supply means provide the required oxygen in the reaction chamber of the Reactor and / or in the gas cleaning stage. In addition, the Reforming reaction space in addition to the feedstock the required Steam supplied.

Aus der Patentschrift US 4.365.006 ist es bekannt, das Kathoden abgas einer Brennstoffzelle einem Wasserstofferzeugungsreaktor zuzuführen, dem außerdem ein Kohlenwasserstoff- oder Kohlenwas serstoffderivat-Eingangsstoff in verdampfter Form zugeleitet wird. Der Reaktor ist zweistufig aus einer eintrittsseitigen partiellen Oxidationseinheit und einer austrittsseitigen Dampf reformierungseinheit aufgebaut, und das von ihm erzeugte Pro duktgas wird direkt ohne weitere Gasreinigung als Brennstoffgas in die Brennstoffzellenanode eingespeist. Die Zuführung des Ka thodenabgases zum Reaktor kann von einer Pumpe unterstützt wer den, um es mit demselben Druck einzuspeisen wie den verdampften Einsatzstoff. Das Anodenabgas wird in einem Brenner genutzt, der zur Beheizung des Reaktors und des Verdampfers dient.From the patent US 4,365,006 it is known the cathode exhaust gas from a fuel cell to a hydrogen generation reactor supply, which also a hydrocarbon or coal Substance derivative input substance supplied in vaporized form becomes. The reactor has two stages from an inlet side partial oxidation unit and an exit-side steam reforming unit built, and the pro generated by him Duct gas is used directly as a fuel gas without further gas purification fed into the fuel cell anode. The feeding of the Ka test gas from the reactor can be supported by a pump to feed it at the same pressure as the evaporated one Feedstock. The anode exhaust gas is used in a burner that serves to heat the reactor and the evaporator.

Aus der Offenlegungsschrift EP 0 642 184 A2 ist es bekannt, so wohl das Kathodenabgas wie auch das Anodenabgas in einem kataly tischen Brenner zur Beheizung eines Reformierungsreaktors zu nutzen, der aus einem zu reformierenden Einsatzstoff, insbeson dere Erdgas, ein wasserstoffhaltiges Produktgas erzeugt, das ohne weitere Gasreinigung der Brennstoffzellenanode zugeführt wird.It is known from published patent application EP 0 642 184 A2 probably the cathode exhaust gas as well as the anode exhaust gas in a catalyze table burner for heating a reforming reactor benefit from a material to be reformed, in particular natural gas, a hydrogen-containing product gas that fed to the fuel cell anode without further gas cleaning becomes.

In der Offenlegungsschrift DE 40 32 652 A1 ist ein Brennstoff zellensystem der eingangs genannten Art beschrieben, bei dem die Wasserstofferzeugungsanlage von einem Dampfreformierungsreaktor, dem als Einsatzstoff z. B. Erdgas zugeführt wird, einer zweistu figen Gasreinigungsstufe zur CO-Verminderung, einem Wasserab scheider und einer Einheit zum Auswaschen von Kohlendioxid ge bildet ist. Der Reformierungsreaktor wird vom Rauchgas eines Brenners beheizt, dem als Sauerstofflieferant wenigstens ein Teil des Kathodenabgases der Brennstoffzellen und als Brennstoff ein abgezweigter Teilstrom des zu reformierenden Einsatzstoffs und/oder ein Teil des Anodenabgases der Brennstoffzelle zuge führt wird. Je ein weiterer Teil des Anodenabgases kann der ersten und der zweiten Gasreinigungsstufe zugeführt werden.In the published patent application DE 40 32 652 A1 there is a fuel described cell system of the type mentioned, in which the Hydrogen generation plant from a steam reforming reactor, which as a feed z. B. natural gas is supplied, a two-stage Gas cleaning stage for CO reduction, a water drain separator and a unit for washing out carbon dioxide forms is. The reforming reactor is one of the flue gas Brenners heated, at least one as an oxygen supplier Part of the cathode exhaust gas from the fuel cells and as fuel a branched off partial stream of the feedstock to be reformed and / or part of the anode exhaust gas of the fuel cell leads. Another part of the anode exhaust gas can first and second gas cleaning stage are supplied.

Aus der Patentschrift US 4.759.997 ist es bekannt, das Abgas einer Brennstoffzellenkathode und eines beheizenden Brenners einer der Brennstoffzelle zugeordneten Reformierungseinheit einem katalytischen Zusatzbrenner zuzuführen und mit dessen Abgasstrom eine Turbine anzutreiben, die mechanisch mit einem Kompressor gekoppelt ist, der zur Verdichtung von Luft dient, die der Brennstoffzellenkathode und dem Brenner der Reformie rungseinheit zugeführt wird. From US Pat. No. 4,759,997 it is known that the exhaust gas a fuel cell cathode and a heating torch a reforming unit assigned to the fuel cell to feed a catalytic auxiliary burner and with it Exhaust gas to drive a turbine mechanically with a Compressor is coupled, which serves to compress air, those of the fuel cell cathode and the burner of the reformie tion unit is supplied.

Die Patentschrift DE 196 05 404 C1 offenbart ein Brennstoffzel lensystem mit einem der Brennstoffzellenanodenseite vorgeschal teten Wasserdampf-Reformierungsreaktor und einem mit dem Refor mierungsreaktor in Wärmekontakt stehenden Brenner. Dem Brenner wird einerseits das Brennstoffzellen-Anodenabgas und anderer seits Luft und/oder das Brennstoffzellen-Kathodenabgas zuge führt. Bei Bedarf kann das Kathodenabgas auch in den Reaktions raum des Reformierungsreaktors geleitet werden.The patent specification DE 196 05 404 C1 discloses a fuel cell Lens system with one of the fuel cell anode side steam reforming reactor and one with the Refor Milling reactor in heat contact burner. The burner becomes the fuel cell anode exhaust gas on the one hand and others on the part of air and / or the fuel cell cathode exhaust gas leads. If necessary, the cathode exhaust gas can also enter the reaction of the reforming reactor.

Der Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstellung eines Brennstoffzellensystems mit integrierter Wasserstoffer zeugung der eingangs genannten Art zugrunde, das mit relativ wenig Energie für die gesamte Sauerstoffspeisung auskommt und sich insbesondere auch zur Verwendung in Brennstoffzellenfahr zeugen eignet.The invention is a technical problem of providing a fuel cell system with integrated hydrogen generation of the type mentioned, with relative little energy is needed for the entire oxygen supply and in particular also for use in fuel cell driving testify.

Die Erfindung löst dieses Problem durch die Bereitstellung ei nes Brennstoffzellensystems mit den Merkmalen des Anspruchs 1.The invention solves this problem by providing egg Nes fuel cell system with the features of claim 1.

Bei diesem System ist einerseits der Brennstoffzellenanode eine Wasserstofferzeugungsanlage vorgeschaltet, die eine Gasreini gungsstufe umfaßt, welche das vom vorgeschalteten Wasserstoff erzeugungsreaktor gelieferte Produktgas von für die Brennstoff zellenanode schädlichen Gasbestandteilen, wie Kohlenmonoxid, reinigt. Dadurch kann die Brennstoffzellenanode mit vergleichs weise reinem Wasserstoff gespeist werden, wodurch sich ein ho her Wirkungsgrad erzielen läßt. Andererseits ist mittels einer entsprechenden Kathodenabgas-Rückführleitung eine Nutzung des Kathodenabgases der Brennstoffzellen als Sauerstofflieferant im Reaktionsraum des Wasserstofferzeugungsreaktors und/oder in der Gasreinigungsstufe vorgesehen. Dadurch verringert sich der Energiebedarf für die Sauerstoffzufuhr in diese Komponenten der Wasserstofferzeugungsanlage im Vergleich zu einer ausschließ lichen Frischluftzufuhr. Gleichzeitig kann das im Kathodenabgas enthaltene Wasser direkt im dampfförmigen Zustand ohne vorheri ge Abtrennung in diesen Komponenten der Wasserstofferzeugungs anlage genutzt werden, insbesondere wenn diese als Wasserdampf reformierungsanlage ausgelegt ist. In this system, the fuel cell anode is one Hydrogen production system upstream, which a gas purification supply stage, which includes the upstream hydrogen Product reactor supplied product gas for the fuel cell anode harmful gas components, such as carbon monoxide, cleans. As a result, the fuel cell anode can be compared wise pure hydrogen, whereby a ho Her efficiency can be achieved. On the other hand, by means of a corresponding cathode exhaust gas return line use of Cathode exhaust of the fuel cells as an oxygen supplier in the Reaction space of the hydrogen generation reactor and / or in the Gas cleaning stage provided. This reduces the Energy requirements for the oxygen supply in these components of the Hydrogen generation plant compared to an exclusive fresh air supply. At the same time, this can occur in the cathode exhaust contained water directly in the vapor state without priori ge separation in these components of hydrogen production system, especially if it is used as water vapor reforming plant is designed.

Des weiteren beinhaltet dieses System eine beispielsweise mit einer Membran- oder Adsorptionstechnik arbeitende Sauerstoff anreicherungsstufe, mit welcher der im Kathodenabgas enthaltene Sauerstoff durch Abtrennung anderer Abgasbestandteile, wie z. B. Luftstickstoff, angereichert wird, so daß dem Wasserstofferzeu gungsreaktor und/oder der nachgeschalteten Gasreinigungsstufe ein verhältnismäßig sauerstoffreiches Gas zugeführt wird.This system also includes, for example oxygen or membrane technology Enrichment level with which the contained in the cathode exhaust Oxygen by separating other exhaust gas components, such as. B. Atmospheric nitrogen, is enriched so that the hydrogen gung reactor and / or the downstream gas cleaning stage a relatively oxygen-rich gas is supplied.

Bei einem nach Anspruch 2 weitergebildeten System ist in der Kathodenabgas-Rückführleitung ein Kompressor vorgesehen, um das sauerstoffhaltige Kathodenabgas mit erhöhtem Druck in den Reak tionsraum zur Wasserstofferzeugung und/oder die nachgeschaltete Gasreinigungsstufe einspeisen zu können.In a system developed according to claim 2 is in the A cathode exhaust gas return line provided a compressor to the oxygen-containing cathode exhaust gas with increased pressure in the reak tion room for hydrogen production and / or the downstream To be able to feed in the gas cleaning stage.

Ein nach Anspruch 3 weitergebildetes System besitzt einen kata lytischen Brenner, dem jeweils wenigstens ein Teil des Anoden abgases und des Kathodenabgases der Brennstoffzelle zu Verbren nungszwecken zugeführt wird, wobei der Brenner direkt in der Kathodenabgas-Rückführleitung oder in einem Abzweig derselben oder in der Abgasleitung der Sauerstoffanreicherungsstufe posi tioniert sein kann. Im ersten Fall wird sein Verbrennungsgas in die Wasserstofferzeugungsanlage rückgeführt.A system developed according to claim 3 has a kata lytic burner, each containing at least part of the anode exhaust gases and the cathode exhaust gas of the fuel cell is supplied with the burner directly in the Cathode exhaust gas return line or in a branch thereof or in the exhaust line of the oxygen enrichment stage posi can be tioned. In the first case, its combustion gas is in returned the hydrogen generation plant.

Bei einem nach Anspruch 4 weitergebildeten System ist ein Ex pander, d. h. eine Abgasturbine vorgesehen, um mechanisch einen Kompressor anzutreiben, welcher der Brennstoffzellenkathode ein sauerstoffhaltiges Gas, wie Luft, unter ausreichendem Druck zu führt. Der Expander wird vom Abgas der Sauerstoffanreicherungs stufe oder des katalytischen Brenners bei gleichzeitiger Ent spannung des zugeführten Gasstroms angetrieben. Dadurch wird die eingesetzte Energie zur Komprimierung des der Kathode zuge führten, sauerstoffhaltigen Gases teilweise zurückgewonnen.In a system developed according to claim 4 is an Ex pander, d. H. an exhaust gas turbine provided to mechanically one To drive the compressor, which is the fuel cell cathode oxygen-containing gas, such as air, under sufficient pressure leads. The expander is exhausted from the oxygenation stage or the catalytic burner with simultaneous Ent voltage of the supplied gas stream driven. This will the energy used to compress the cathode led, oxygen-containing gas partially recovered.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.An advantageous embodiment of the invention is in the Drawing shown and is described below.

Die einzige Figur zeigt als Blockdiagrammdarstellung ein Brenn stoffzellensystem mit integrierter Wasserstofferzeugungsanlage. The single figure shows a burner as a block diagram representation cell system with integrated hydrogen generation system.

Das gezeigte Brennstoffzellensystem beinhaltet einen herkömmli chen Brennstoffzellenaufbau mit einer oder mehreren Brennstoff zellen 1 mit je einer Anode 2 und einer Kathode 3. Zur Speisung der Anode 2 mit Wasserstoff ist dieser eine Wasserstofferzeu gungsanlage vorgeschaltet. Letztere umfaßt einen Wasserstoffer zeugungsreaktor in Form eines Reformierungsreaktors 4 und eine nachgeschaltete Gasreinigungsstufe 5. Einem herkömmlichen, mit einem geeigneten Katalysatormaterial belegten Reaktionsraum des Reformierungsreaktors 4 wird ein reformierungsfähiger Kohlen wasserstoff- oder Kohlenwasserstoffderivat-Einsatzstoff, wie Benzin, Diesel, Methanol und dergleichen, aus einem Vorratstank 6 sowie Wassser aus einem Wasserbehälter 7 zugeführt. Im Refor mierungsreaktionsraum wird der Einsatzstoff durch eine übliche, endotherme Reformierungsreaktion in ein wasserstoffreiches Produktgasgemisch umgesetzt. Parallel kann im Reaktionsraum zusätz lich eine exotherme Umsetzung des Einsatzstoffes, z. B. durch partielle Oxidation desselben unter Sauerstoffzufuhr, vorgesehen sein, um beispielsweise eine autotherme Umsetzung des Einsatz stoffs im Reformierungsreaktor 4 zu bewirken.The fuel cell system shown includes a conventional fuel cell structure with one or more fuel cells 1 , each with an anode 2 and a cathode 3 . To supply the anode 2 with hydrogen, this is preceded by a hydrogen generation system. The latter comprises a hydrogen generation reactor in the form of a reforming reactor 4 and a downstream gas cleaning stage 5 . A conventional, occupied with a suitable catalyst material reaction chamber of the reforming reactor 4 is a reformable carbon hydrogen or hydrocarbon derivative feed, such as gasoline, diesel, methanol and the like, supplied from a storage tank 6 and water from a water tank 7 . In the refor mation reaction space, the feedstock is converted into a hydrogen-rich product gas mixture by a customary, endothermic reforming reaction. In parallel, an exothermic conversion of the starting material, eg. B. by partial oxidation of the same with oxygen, may be provided, for example, to cause an autothermal implementation of the material in the reforming reactor 4 .

Das vom Reformierungsreaktor 4 gelieferte Produktgas enthält in der Regel Kohlenmonoxid in einer für die Brennstoffzellenanode 2 nicht tolerierbaren Konzentration. Die Gasreinigungsstufe 5 dient der Verringerung des Anteils an Kohlenmonoxid und ggf. an derer Anodenschadgase in einem ausreichenden Maß, um Vergif tungserscheinungen der Brennstoffzellenanode 2 zu verhindern. Dazu kann in der Gasreinigungsstufe 5 z. B. eine partielle Oxida tion des Schadgases unter Sauerstoffeinfluß oder, speziell für Kohlenmonoxid, eine Umwandlung desselben unter Wasserdampfein wirkung über die Wassergasgleichgewichtsreaktion ablaufen. Auf diese Weise stellt die Wasserstofferzeugungsanlage an der Aus trittsseite der Gasreinigungsstufe 5 einen vergleichsweise rei nen Wasserstoffstrom als Brennstoff für die Brennstoffzellen anode 2 zur Verfügung. In dem die Anode 2 verlassenden Anodenab gasstrom 8 enthaltener Restwasserstoff kann geeignet genutzt werden, z. B. in einem Verbrennungsmotor oder einer Turbine oder in einem katalytischen Brenner, wie unten näher erläutert.The product gas supplied by the reforming reactor 4 generally contains carbon monoxide in a concentration which is intolerable for the fuel cell anode 2 . The gas cleaning stage 5 serves to reduce the proportion of carbon monoxide and possibly of its anode harmful gases to a sufficient extent in order to prevent poisoning of the fuel cell anode 2 . This can be done in the gas cleaning stage 5 z. B. a partial oxidation of the harmful gas under the influence of oxygen or, especially for carbon monoxide, a conversion of the same under water vapor effect on the water gas balance reaction. In this way, the hydrogen generation plant on the exit side of the gas cleaning stage 5 provides a comparatively pure hydrogen stream as fuel for the fuel cell anode 2 . In the anode 2 leaving Anodenab gas stream 8 residual hydrogen can be used appropriately, for. B. in an internal combustion engine or a turbine or in a catalytic burner, as explained in more detail below.

Der Brennstoffzellenkathode 3 wird mittels eines Frischluftkom pressors 9 verdichtete Frischluft unter ausreichendem Druck zu geführt. Vorzugsweise wird die Brennstoffzelle 1 mit unter schiedlichem Druckniveau auf der Anodenseite 2 und der Kathoden seite 3 betrieben. Die der Kathode 3 zugeführte Luftmenge ist dabei üblicherweise etwa doppelt so groß wie die stöchiometrisch benötigte Menge, mit der Folge, daß das die Kathode 3 verlassen de Kathodenabgas noch einen merklichen Anteil an Sauerstoff ent hält. Dieser wird charakteristischerweise systemintern dadurch genutzt, daß das Kathodenabgas wenigstens teilweise über eine Kathodenabgas-Rückführleitung 10 in den Reaktionsraum des Refor mierungsreaktors 4 und parallel dazu über eine Abzweigleitung 10a in die Gasreinigungsstufe 5 eingeleitet werden kann. Der im Kathodenabgas enthaltene Restsauerstoff läßt sich folglich je nach Anwendungsfall im Reaktionsraum des Reformierungsreaktors 4, z. B. zur Durchführung einer partiellen Oxidation des Einsatz stoffs, und/oder in der Gasreinigungsstufe 5, z. B. zur Oxidation von Kohlenmonoxid in Kohlendioxid, nutzen. Gleichzeitig kann auf diese Weise das in der Brennstoffzellenkathode 3 gebildete Was ser mindestens zu einem großen Teil direkt in dampfförmigem Zu stand ohne vorherige Abtrennung zur Wasserdampfreformierung des Einsatzstoffes im Reaktionsraum des Reformierungsreaktors 4 ge nutzt werden. In der Gasreinigungsstufe 5 kann der im Kathoden abgas enthaltene Wasserdampf die Umsetzung von Kohlenmonoxid in Kohlendioxid über die Wassergasgleichgewichtsreaktion unterstüt zen.The fuel cell cathode 3 is fed by means of a fresh air compressor 9 compressed fresh air under sufficient pressure. The fuel cell 1 is preferably operated at different pressure levels on the anode side 2 and the cathode side 3 . The amount of air supplied to the cathode 3 is usually about twice as large as the stoichiometrically required amount, with the result that the cathode exhaust gas leaving the cathode 3 still contains a noticeable proportion of oxygen. This is characteristically used within the system in that the cathode exhaust gas can be introduced at least partially via a cathode exhaust gas return line 10 into the reaction chamber of the refor mation reactor 4 and, in parallel, via a branch line 10 a into the gas cleaning stage 5 . The residual oxygen contained in the cathode exhaust gas can consequently, depending on the application, in the reaction chamber of the reforming reactor 4 , for. B. to carry out a partial oxidation of the feedstock, and / or in the gas cleaning stage 5 , z. B. for the oxidation of carbon monoxide in carbon dioxide. At the same time, the water formed in the fuel cell cathode 3 can be used at least for the most part directly in vaporous state without prior separation for steam reforming of the feedstock in the reaction space of the reforming reactor 4 . In the gas cleaning stage 5 , the water vapor contained in the cathode exhaust gas can support the conversion of carbon monoxide into carbon dioxide via the water gas equilibrium reaction.

Die Nutzung des im Kathodenabgas enthaltenen Restsauerstoffs in der Reformierungsanlage bewirkt durch Verringerung der erforder lichen Frischluft-Kompressionsenergie eine Wirkungsgradsteige rung gegenüber einem System, bei dem die Sauerstoffzufuhr in den Reformierungsreaktor 4 und/oder die Gasreinigungsstufe 5 allein in Form von komprimierter Frischluft erfolgt.The use of the residual oxygen contained in the cathode exhaust gas in the reforming system brings about an increase in efficiency compared to a system in which the oxygen supply to the reforming reactor 4 and / or the gas cleaning stage 5 takes place solely in the form of compressed fresh air by reducing the required fresh air compression energy.

Es versteht sich, daß in der Figur nur die wesentlichen System komponenten gezeigt sind und das System darüber hinaus die zur Erfüllung der beschriebenen Betriebsweise weiter erforderlichen Komponenten enthält, wie eine geeignete Prozeßsteuerung und an steuerbare Ventile sowie Förderpumpen zur Förderung des Einsatz stoffs und/oder des Wassers in den Reformierungsreaktor 4.It is understood that only the essential system components are shown in the figure and the system also contains the components required to fulfill the described mode of operation, such as a suitable process control and controllable valves and feed pumps to promote the use of material and / or Water into the reforming reactor 4 .

Je nach Bedarf ist es vorteilhaft, das System mit einer oder mehreren weiteren, in der Figur gestrichelt gezeichneten Kompo nenten auszurüsten. So kann in der Kathodenabgas-Rückführleitung 10 ein Kathodenabgaskompressor 11 vorgesehen sein, um das Katho denabgas mit erhöhtem Druck in den Reaktionsraum des Reformie rungsreaktors 4 und/oder in die Gasreinigungsstufe 5 einzuspei sen. Des weiteren kann in der Kathodenabgas-Rückführleitung 10 eine Sauerstoffanreicherungsstufe 12 vorgesehen sein, um den Sauerstoffanteil im Kathodenabgas vor Einspeisung in die Reformierungsanlage 4, 5 anzuheben. Dies kann unter Verwendung einer üblichen Membran- oder Adsorptionstechnik erfolgen, wobei der im Kathodenabgas enthaltene Luftstickstoff vom Restsauerstoffanteil abgetrennt und über eine zugehörige Abgasleitung 13 abgeführt wird.Depending on requirements, it is advantageous to equip the system with one or more further components, shown in dashed lines in the figure. Thus, a cathode exhaust gas compressor 11 can be provided in the cathode exhaust gas return line 10 in order to feed the cathode exhaust gas with increased pressure into the reaction chamber of the reforming reactor 4 and / or into the gas cleaning stage 5 . Furthermore, an oxygen enrichment stage 12 can be provided in the cathode exhaust gas return line 10 in order to raise the oxygen content in the cathode exhaust gas before it is fed into the reforming system 4 , 5 . This can be done using a conventional membrane or adsorption technique, with the atmospheric nitrogen contained in the cathode exhaust gas being separated from the residual oxygen portion and being discharged via an associated exhaust line 13 .

Des weiteren kann optional ein katalytischer Brenner vorgesehen sein, dem wenigstens ein Teil des Restwasserstoff enthaltenden Anodenabgasstroms 8 sowie wenigstens ein Teil des Restsauer stoffs des Kathodenabgasstroms zur Verbrennungsnutzung zugeführt werden. Für die Positionierung des katalytischen Brenners im Sy stem sind drei verschiedene Alternativen in der Figur gestri chelt angegeben. In einer ersten Variante befindet sich ein ka talytischer Brenner 14a mit seinem Kathodenabgaseingang direkt in der Kathodenabgas-Rückführleitung 10, und das von ihm erzeug te, noch immer Restsauerstoff sowie zusätzlich gebildeten Was serdampf enthaltende Verbrennungsgas wird in der Kathodenabgas- Rückführleitung 10 weitergeleitet. In einer zweiten Variante wird ein katalytischer Brenner 14b kathodenabgasseitig über ei nen Abzweig 10b von einem Teil des Kathodenabgasstroms in der Kathodenabgas-Rückführleitung 10 gespeist, ohne daß das von ihm erzeugte Verbrennungsgas in der Kathodenabgas-Rückführleitung 10 weitergeleitet wird. In einer dritten Variante wird ein kataly tischer Brenner 14c kathodenabgasseitig über die Abgasleitung 13 der Sauerstoffanreicherungsstufe 12 mit dem von dieser Stufe 12 aus dem Kathodenabgasstrom abgetrennten Abluftstrom gespeist. In allen drei Fällen wird dem jeweiligen katalytischen Brenner 14a, 14b, 14c brennstoffseitig der gesamte oder ein Teil des Anoden abgasstroms 8 zugeführt.Furthermore, a catalytic burner can optionally be provided, to which at least a part of the anode exhaust gas stream 8 containing residual hydrogen and at least a part of the residual oxygen of the cathode exhaust gas stream are fed for combustion use. For the positioning of the catalytic burner in the system three different alternatives are shown in dashed lines in the figure. In a first variant, there is a ka talytischer burner 14 a with its cathode exhaust gas entrance directly in the cathode exhaust gas recirculation line 10, and from it erzeug te, still residual oxygen as well as additionally formed What serdampf containing combustion gas is passed in the Kathodenabgas- return line 10th In a second variant, a catalytic burner 14 b on the cathode exhaust gas side is fed via a branch 10 b from part of the cathode exhaust gas stream in the cathode exhaust gas return line 10 without the combustion gas generated by it being passed on in the cathode exhaust gas return line 10 . In a third variant, a catalytic burner 14 c on the cathode exhaust gas side is fed via the exhaust line 13 of the oxygen enrichment stage 12 with the exhaust air stream separated from this stage 12 from the cathode exhaust gas stream. In all three cases, all or part of the anode exhaust gas stream 8 is fed to the respective catalytic burner 14 a, 14 b, 14 c on the fuel side.

Bei Vorhandensein der Sauerstoffanreicherungsstufe 12 und/oder eines der beiden katalytischen Brennervarianten 14b, 14c, bei denen das erzeugte Verbrennungsgas nicht in der Kathodenabgas- Rückführleitung 10 weitergeleitet wird, kann zudem ein Expander 15 vorgesehen sein, der mechanisch an den Frischluftkompressor 9 angekoppelt ist und vom Abgas der Sauerstoffanreicherungsstufe 12 oder dem Verbrennungsgas eines der beiden besagten katalytischen Brenner 14b, 14c angetrieben wird. Auf diese Weise wird der Frischluftkompressor 9 wenigstens zum Teil mit der Energie des dem Expander 15 zugeführten Gasstroms angetrieben, der sich dabei entspannt. Im übrigen liefert ein Motor 16 die nötige An triebsenergie für den Frischluftkompressor 9.In the presence of the oxygen enrichment stage 12 and / or one of the two catalytic burner variants 14 b, 14 c, in which the combustion gas generated is not passed on in the cathode exhaust gas return line 10 , an expander 15 can also be provided, which is mechanically coupled to the fresh air compressor 9 and is driven by the exhaust gas of the oxygen enrichment stage 12 or the combustion gas of one of the two said catalytic burners 14 b, 14 c. In this way, the fresh air compressor 9 is driven at least in part with the energy of the gas stream supplied to the expander 15 , which relaxes in the process. Incidentally, a motor 16 supplies the necessary drive energy for the fresh air compressor 9 .

Claims

1. Fuel cell system with

- at least one fuel cell ( 1 ),
- A hydrogen generation plant for feeding the fuel cell anode ( 2 ) with a hydrogen-containing, purified product gas from a reaction of a hydrocarbon or hydrocarbon derivative feedstock, the plant being a hydrogen generation reactor ( 4 ), in the reaction space of which the feedstock is converted to a hydrogen-containing product gas is, and a downstream gas purification stage ( 5 ) for purifying the product gas from anode harmful gas comprises, and
- Oxygen supply means for supplying an oxygen-containing gas into the reaction chamber of the hydrogen generation reactor ( 4 ) and / or into the gas cleaning stage ( 5 ),

characterized in that

- The oxygen supply means to the reaction chamber of the hydrogen generation reactor ( 4 ) and / or to the gas cleaning stage ( 5 ) leading cathode exhaust gas return line ( 10 ) for feeding at least a portion of the fuel cell cathode exhaust gas into the reaction chamber of the hydrogen generation reactor and / or in the gas cleaning stage and
- In the cathode exhaust gas return line ( 10 ) an oxygen enrichment stage ( 12 ) is provided.

2. Fuel cell system according to claim 1, further characterized in that a cathode exhaust gas compressor ( 11 ) is provided in the cathode exhaust gas return line ( 10 ).

3. Fuel cell system according to claim 1 or 2, further characterized by a catalytic burner ( 14 a, 14 b, 14 c), which on the one hand leads at least part of the fuel cell anode exhaust gas ( 8 ) and on the other hand into the cathode exhaust gas return line ( 10 ) is connected or is connected to a branch of the cathode exhaust gas return line or to an exhaust line of the oxygen enrichment stage ( 12 ).

4. Fuel cell system according to one of claims 1 to 3, characterized by
an expander ( 15 ) for driving a fresh air compressor ( 9 ) upstream of the fuel cell cathode ( 3 ), for which purpose the expander is the exhaust gas of the oxygen enrichment stage ( 12 ) or the combustion gas of the catalytic burner ( 14 ) connected to a branch of the cathode exhaust gas return line ( 10 ) b) or the catalytic burner ( 14 c) connected to the exhaust line of the oxygenation stage.