WO2018033287A1 - Brennstoffzellenvorrichtung - Google Patents

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WO2018033287A1
WO2018033287A1 PCT/EP2017/066144 EP2017066144W WO2018033287A1 WO 2018033287 A1 WO2018033287 A1 WO 2018033287A1 EP 2017066144 W EP2017066144 W EP 2017066144W WO 2018033287 A1 WO2018033287 A1 WO 2018033287A1
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WO
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fuel cell
unit
fluid
fuel
reformer
Prior art date
Application number
PCT/EP2017/066144
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English (en)
French (fr)
Inventor
Rene Meise
Peter Horstmann
Tania Gonzalez-Baquet
Timo Bosch
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Publication date
Application filed by Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04097—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with recycling of the reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0606—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
    • H01M8/0612—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material
    • H01M8/0618—Reforming processes, e.g. autothermal, partial oxidation or steam reforming
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • Fuel cell unit is provided, and having a fluid delivery unit, which is intended to recirculate at least a portion of an anode exhaust gas of the fuel cell unit has been proposed.
  • the invention is based on a fuel cell device, which is intended to be operated with a fluidic fuel, with a
  • a fuel cell unit comprising a reformer unit, which is provided for generating at least one fuel gas for the fuel cell unit, and with a
  • Fluid delivery unit which is intended to at least a part of a
  • the fluid delivery unit is arranged, viewed in the fluid flow direction, between the reformer unit and the fuel cell unit.
  • a fuel cell device is to be understood as meaning in particular a constituent, in particular a functional component, in particular a design and / or functional component of a fuel cell system.
  • a fuel cell unit should be understood as meaning in particular a unit having at least one fuel cell which is provided with at least one chemical reaction energy of at least one, in particular continuously supplied, fuel gas, in particular hydrogen, and at least one oxidant, in particular oxygen, in particular
  • the at least one fuel cell may be designed in particular as a solid oxide fuel cell (SOFC) .
  • SOFC solid oxide fuel cell
  • the at least one fuel cell unit preferably comprises a multiplicity of fuel cells, which are arranged in particular in a fuel cell stack / or equipped to be understood.
  • a "fluidic fuel” is to be understood as meaning, in particular, a gaseous or liquid hydrocarbon-containing fuel
  • the fuel cell device may be intended to be operated with a natural gas Gas mixture, in particular a natural gas mixture, understood, which preferably at least one alkane, in particular methane, ethane, propane and / or butane comprises.
  • the natural gas may have further constituents, such as in particular carbon dioxide and / or nitrogen and / or oxygen and / or sulfur compounds.
  • gaseous fuel and / or liquid fuel for example LPG, gasoline or diesel.
  • a "reformer unit” is to be understood as meaning in particular a chemical-technical unit for at least treating at least one hydrocarbon-containing fuel, in particular by steam reforming and / or by partial oxidation and / or by autothermal reforming, in particular for recovery of the at least one fuel gas, in particular hydrogen, and / or for breaking up higher-chain alkenes, and in particular the fuel cell device has a recirculation circuit
  • the recirculation circuit comprises a hollow conduit, for example at least one tube and / or hose line.
  • the recirculation circuit is provided, in particular, for supplying to the reformer unit a particular specified percentage of an exhaust gas of the fuel cell, in particular an anode exhaust gas, required in particular for a reforming process, in particular containing water vapor.
  • a "fluid delivery unit” is to be understood as meaning, in particular, a unit which is provided to convey at least one fluid, in particular an anode exhaust gas and / or an anode exhaust gas / fuel gas mixture, along the recirculation circuit
  • the fluid delivery unit is arranged between the reformer unit and the fuel cell unit as viewed in fluid flow mode
  • the anode exhaust gas initially flows into the reformer unit from an anode of the fuel cell unit together with freshly supplied fuel
  • Anode exhaust gas and reformate recovered from the fuel pass through the fluid delivery unit and are supplied to the anode of the fuel cell device
  • Fluid flow is not considered between the fuel cell unit and the reformer unit, arranged, the anode exhaust gas thermally and / or chemically influencing units and / or assemblies.
  • a generic fuel cell device with advantageous operating characteristics can be provided.
  • the high temperature level of the anode exhaust gas can be advantageously used for a reforming process within the reformer unit. This can advantageously a
  • a particular negative deviation of the temperature of the anode gas from an exit temperature of the anode exhaust gas from the fuel cell unit at each point of a fluid flow path between the fuel cell unit and the reformer unit is at most 15%, preferably at most 10% and more preferably at most 5%.
  • an exit temperature of the anode exhaust gas at the exit from the fuel cell unit is at least 650 ° C., preferably at least 700 ° C., and more preferably at least 750 ° C.
  • the temperature of the anode exhaust gas decreases between an exit from the fuel cell unit and an entry into the reformer unit at least substantially only due to an admixture of fresh fuel.
  • An inlet temperature of the anode exhaust gas and / or the anode exhaust gas-fuel mixture is in particular at least 550 ° C, preferably at least 600 ° C and more preferably at least 650 ° C.
  • Fuel cell unit and the reformer unit is free of tempering units.
  • a "tempering unit” should be understood to mean, in particular, a technical unit which is intended to heat and / or to supply a fluid, in particular a gas and / or a gas mixture, by supplying and / or dissipating thermal energy
  • a temperature control unit can be designed as a heat exchanger and / or as an electrical and / or chemical heating and / or cooling unit. in that the fuel cell device has at least one
  • Fuel supply has, which is intended to fuel in Fluid Strömungsungsnchtung considered to initiate between the fuel cell unit and the reformer unit.
  • the fuel cell device comprises at least one mixing unit which is arranged to mix the fuel with the anode exhaust gas and which is arranged in fluid flow between the fuel cell unit and the reformer unit.
  • the mixing unit is disposed within a fluid conduit provided to direct the anode off-gas from the fuel cell unit to the reformer unit and / or integral with the fluid conduit provided to direct the anode off-gas from the fuel cell unit to the reformer unit - forms.
  • one piece should be understood in particular at least materially connected connected, for example, by a welding process, a gluing process, a Anspritzrea and / or another, the skilled person appear useful process, and / or advantageously formed in one piece, such as by a Production from a casting and / or by a production in a one-component or multi-component injection molding process and advantageously from a single blank
  • the fuel supply line is intended to introduce the fuel into the mixing unit, thereby enabling an advantageous supply of the fuel and an advantageous mixing of the fuel with the anode exhaust gas.
  • the fuel cell device at least one
  • Heat exchanger which, viewed in Fluidströmungsnchtung arranged behind the reformer unit and is intended to cool a leaking from the reformer unit fluid before entering the fluid conveying unit.
  • a heat exchanger is to be understood as meaning, in particular, a unit which is intended to generate heat in the direction of a heat exchanger
  • the heat exchanger is in particular provided to transfer heat from the fluid emerging from the reformer unit, in particular, to a cooling fluid.
  • the fuel cell device has at least one further heat exchanger, which, viewed in fluid flow, is arranged behind the fluid delivery unit and is provided to heat a fluid emerging from the fluid delivery unit from entering the fuel cell unit.
  • the heat exchanger is in particular provided to transfer heat from a heating medium to the fluid emerging from the fluid delivery unit. This can an advantageous temperature control of fluid flows within the fuel cell device take place.
  • the fuel cell system may comprise a desulfurization unit of a desulfurization unit upstream of the reformer unit.
  • Desulfurization unit should be understood in this context, in particular a unit, which is intended, preferably by at least one physical and / or chemical adsorption and / or
  • the fuel cell device according to the invention should not be limited to the application and embodiment described above.
  • the fuel cell device according to the invention may have a different number from a number of individual elements, components and units mentioned herein for fulfilling a mode of operation described herein.
  • FIG. 1 is a schematic representation of a fuel cell system with a
  • a fuel cell apparatus in which a fluid delivery unit viewed in the direction of fluid flow between a reformer unit and a
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a fuel cell system 38 with a fuel cell device 10.
  • the fuel cell device 10 is intended to be operated with a fluid fuel 12, for example natural gas.
  • the fuel cell device 10 has a fuel cell unit 14.
  • the fuel cell unit 14 is shown here in simplified form as a fuel cell 40. However, it is expedient to design a fuel cell unit as a fuel cell stack with a multiplicity of fuel cells.
  • Fuel cell unit 14 has an anode 42 and a cathode 44.
  • the anode 42 is supplied with a fuel gas 46, in particular hydrogen, obtained from the fuel 12.
  • the cathode 44 is supplied with a cathode gas 48, in particular atmospheric oxygen.
  • the fuel cell system 38 has a fuel cell unit 14 upstream of the desulfurization unit 50.
  • the desulfurization unit 50 is provided to at least substantially desulfurize the fuel 12. To obtain the fuel gas 46, the fuel cell device 10 has one of the desulfurization unit 50
  • the fuel 12 is fed into the fuel cell system 38 via a supply line 52 during operation of the fuel cell unit 14.
  • the fuel 12 is conveyed by means of a compressor 54.
  • the cathode gas 48 is another
  • Supply line 56 fed into the fuel cell system 38.
  • Cathode gas 48 is conveyed by means of a compressor 58. Before entering the cathode 44 of the fuel cell unit 14, the cathode gas 48 by means of a
  • Heat exchanger 60 is heated. Furthermore, the fuel cell system 38 has an afterburner 62. Of the
  • Afterburner 62 is the fuel cell unit 14 downstream of flow.
  • the afterburner 62 is a part of an anode exhaust gas 22 of the
  • Fuel cell unit 14 is supplied.
  • the afterburner 62 is provided to burn combustible substances remaining in the anode exhaust gas 22 of the fuel cell unit 14, in particular unreacted hydrogen.
  • Afterburner 62 required oxygen is the afterburner 62 in the form of a Cathode exhaust gas 64 of the fuel cell unit 14 is supplied.
  • An exhaust gas 66 of the afterburner 62 is discharged from the fuel cell system 38.
  • Fuel cell device 10 also has a recirculation circuit 68, which is provided for a partial recirculation of the hydrogen and water-containing anode exhaust gas 22 of the fuel cell unit 14.
  • the fuel cell device 10 has a fluid delivery unit 18, which is arranged within the recirculation circuit 68.
  • the fluid delivery unit 18 is intended to convey at least one fluid within the recirculation circuit 68.
  • the fluid delivery unit 18 is designed as a recirculation fan.
  • the fluid delivery unit 18 is arranged between the reformer unit 16 and the fuel cell unit 14 in fluid flow direction 20 within the recirculation circuit 68.
  • the reformer unit 16 as viewed in fluid flow direction 20, is arranged immediately behind the fuel cell unit 14.
  • a fluid line 24 between the fuel cell unit 14 and the reformer unit 16 is free of tempering units, such as heat exchangers and / or heating or cooling units.
  • the fuel cell device 10 has a fuel supply line 26 which is provided to introduce the previously desulfurized fuel 12 in fluid flow direction 20 between the fuel cell unit 14 and the reformer unit 16.
  • the fuel cell device 10 further comprises a mixing unit 28 which is provided to mix the fuel 12 supplied via the fuel supply line 26 with the anode exhaust gas 22 and which is arranged between the fuel cell unit 14 and the reformer unit 16 in fluid flow direction 20.
  • the fuel cell device 10 has a heat exchanger 30 which, viewed in fluid flow 20, is arranged behind the reformer unit 16 and is provided for exiting a reformer unit 16
  • the fuel cell device 10 further has a further heat exchanger 34, which, viewed in fluid flow direction 20, is arranged behind the fluid delivery unit 18 and is intended to heat a fluid 36 emerging from the fluid delivery unit 18 from entering the fuel cell unit 14.
  • the anode exhaust gas 22 exits the anode 42 of the fuel cell unit 14 at a temperature of approximately 750 ° C.
  • the anode 42 of the fuel cell unit 14 is fluidically connected directly to the reformer unit 16.
  • a portion of the anode exhaust gas 22, in particular about 70% of the anode exhaust gas 22, is supplied to the afterburner 62.
  • An inlet temperature of the anode exhaust gas-fuel mixture into the reformer unit 16 is about 660 ° C.
  • a fluid 32 emerging from the reformer unit 16, in particular a reformate has a temperature of approximately 550 ° C.
  • the fluid 32 emerging from the reformer unit 16 is cooled to approximately 140 ° C. by the heat exchanger 30 before it enters the fluid delivery unit 18.
  • a fluid 36 emerging from the fluid delivery unit 18 is heated to a required process temperature of approximately 700 ° C. by the further heat exchanger 34 before it enters the fuel cell unit 14, in particular before it enters the anode 42 of the fuel cell unit 14.

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Abstract

Die Erfindung geht aus von einer Brennstoffzellenvorrichtung (10), welche dazu vorgesehen ist, mit einem fluidischen Brennstoff (12) betrieben zu werden, mit einer Brennstoffzelleneinheit (14), mit einer Reformereinheit (16), welche zur Erzeugung zumindest eines Brenngases (46) für die Brennstoffzelleneinheit (14) vorgesehen ist, und mit einer Fluidfördereinheit (18), welche dazu vorgesehen ist, zumindest einen Teil eines Anodenabgases (22) der Brennstoffzelleneinheit (14) zu rezirkulieren. Es wird vorgeschlagen, dass die Fluidfördereinheit (18) in Fluidströmungsnchtung (20) betrachtet zwischen der Reformereinheit (16) und der Brennstoffzelleneinheit (14) angeordnet ist.

Description

Beschreibung
Brennstoffzellenvorrichtung
Stand der Technik
Es ist bereits eine Brennstoffzellenvorrichtung, welche dazu vorgesehen ist, mit einem fluidischen Brennstoff betrieben zu werden, mit einer Brennstoffzelleneinheit, mit einer Reformereinheit, welche zur Erzeugung zumindest eines Brenngases für die
Brennstoffzelleneinheit vorgesehen ist, und mit einer Fluidfördereinheit, welche dazu vorgesehen ist, zumindest einen Teil eines Anodenabgases der Brennstoffzelleneinheit zu rezirkulieren, vorgeschlagen worden.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung geht aus von einer Brennstoffzellenvorrichtung, welche dazu vorgesehen ist, mit einem fluidischen Brennstoff betrieben zu werden, mit einer
Brennstoffzelleneinheit, mit einer Reformereinheit, welche zur Erzeugung zumindest eines Brenngases für die Brennstoffzelleneinheit vorgesehen ist, und mit einer
Fluidfördereinheit, welche dazu vorgesehen ist, zumindest einen Teil eines
Anodenabgases der Brennstoffzelleneinheit zu rezirkulieren.
Es wird vorgeschlagen, dass die Fluidfördereinheit in Fluidströmungsrichtung betrachtet zwischen der Reformereinheit und der Brennstoffzelleneinheit angeordnet ist.
Unter einer„Brennstoffzellenvorrichtung" soll in diesem Zusammenhang insbesondere ein, insbesondere funktionstüchtiger, Bestandteil, insbesondere eine Konstruktions- und/oder Funktionskomponente, eines Brennstoffzellensystems verstanden werden.
Unter einem„Brennstoffzellensystem" soll in diesem Zusammenhang insbesondere ein System zu einer stationären und/oder mobilen Gewinnung, insbesondere elektrischer und/oder thermischer, Energie unter Verwendung zumindest einer Brennstoffzelleneinheit verstanden werden. Unter einer„Brennstoffzelleneinheit" soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine Einheit mit zumindest einer Brennstoffzelle verstanden werden, welche dazu vorgesehen ist, zumindest eine chemische Reaktionsenergie zumindest eines, insbesondere kontinuierlich zugeführten, Brenngases, insbesondere Wasserstoff, und zumindest eines Oxidationsmittels, insbesondere Sauerstoff, insbesondere in elektrische Energie umzuwandeln. Die zumindest eine Brennstoffzelle kann insbesondere als Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC) ausgebildet sein. Vorzugsweise umfasst die zumindest eine Brennstoffzelleneinheit eine Vielzahl von Brennstoffzellen, welche insbesondere in einem Brennstoffzellenstack angeordnet sind. Unter„vorgesehen" soll insbesondere speziell programmiert, ausgelegt und/oder ausgestattet verstanden werden. Darunter, dass ein Objekt zu einer bestimmten Funktion vorgesehen ist, soll insbesondere verstanden werden, dass das Objekt diese bestimmte Funktion in zumindest einem Anwendungs- und/oder Betriebszustand erfüllt und/oder ausführt.
Unter einem„fluidischen Brennstoff" soll in diesem Zusammenhang insbesondere ein gasförmiger oder flüssiger kohlenwasserstoffhaltiger Brennstoff verstanden werden. Insbesondere kann die Brennstoffzellenvorrichtung dazu vorgesehen sein, mit einem Erdgas betrieben zu werden. Unter einem„Erdgas" soll in diesem Zusammenhang insbesondere ein Gas und/oder Gasgemisch, insbesondere ein Naturgasgemisch, verstanden werden, welches vorzugsweise zumindest ein Alkan, insbesondere Methan, Ethan, Propan und/oder Butan, umfasst. Ferner kann das Erdgas weitere Bestandteile aufweisen, wie insbesondere Kohlenstoffdioxid und/oder Stickstoff und/oder Sauerstoff und/oder Schwefelverbindungen. Alternativ oder zusätzlich ist es denkbar die Brennstoffzellenvorrichtung mit einem anderen insbesondere gasförmigen Brennstoff und/oder flüssigen Brennstoff, beispielsweise LPG, Benzin oder Diesel, zu betreiben.
Unter einer„Reformereinheit" soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine che- misch-technische Einheit zu zumindest einer Aufbereitung zumindest eines kohlen- wasserstoffhaltigen Brennstoffs, insbesondere durch eine Dampfreformierung und/oder durch eine partielle Oxidation und/oder durch eine autotherme Reformierung, insbesondere zur Gewinnung des zumindest einen Brenngases, insbesondere Wasserstoff, und/oder zum Aufbrechen höherkettiger Alkene verstanden werden. Ferner weist die Brennstoffzellenvorrichtung insbesondere einen Rezikulationskreis auf. Unter einem
„Rezirkulationskreis" soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine Verbindungs- einheit verstanden werden, die zu einem Transport von insbesondere flüssigen und/oder gasförmigen Stoffen und/oder Stoffgemischen vorgesehen ist. Insbesondere umfasst der Rezirkulationskreis eine Hohlleitung, beispielsweise zumindest eine Rohrund/oder Schlauchleitung. Der Rezirkulationskreis ist insbesondere dazu vorgesehen, der Reformereinheit einen insbesondere festgelegten Prozentsatz eines für einen Re- formationsprozess benötigten, insbesondere wasserdampfhaltigen Abgases der Brennstoffzelle, insbesondere eines Anodenabgases zuzuführen. Unter einer„Fluidfördereinheit" soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine Einheit verstanden werden, welche dazu vorgesehen ist, zumindest ein Fluid, insbesondere ein Anodenabgas und/oder ein Anodenabgas-Brenngas-Gemisch, entlang des Rezirkulationskreises zu fördern. Insbesondere kann die Fluidfördereinheit als eine Pumpe, ein Ejektor und/oder als ein Gebläse ausgebildet sein. Die Fluidfördereinheit ist in Fluidströmungsnchtung betrachtet zwischen der Reformereinheit und der Brennstoffzelleneinheit angeordnet. Das Anodenabgas strömt ausgehend von einer Anode der Brennstoffzelleneinheit zu- sammen mit frisch zugeführtem Brennstoff zunächst in die Reformereinheit. Ein aus dem Anodenabgas und dem Brennstoff gewonnenes Reformat durchströmt zunächst die Fluidfördereinheit und wird der Anode der Brennstoffzellenvorrichtung zugeführt. Die Reformereinheit ist in Fluidströmungsnchtung betrachtet unmittelbar hinter der Brennstoffzelleneinheit angeordnet. Insbesondere sind in Fluidströmungsnchtung be- trachtet zwischen der Brennstoffzelleneinheit und der Reformereinheit keine, das Anodenabgas thermisch und/oder chemisch beeinflussenden, Einheiten und/oder Baugruppen angeordnet.
Durch eine derartige Ausgestaltung kann eine gattungsgemäße Brennstoffzellenvor- richtung mit vorteilhaften Betriebseigenschaften bereitgestellt werden. Insbesondere kann durch die in Fluidströmungsnchtung betrachtete Anordnung der Fluidfördereinheit zwischen der Reformereinheit und der Brennstoffzelleneinheit, und der damit verbundenen Anordnung der Reformereinheit unmittelbar hinter der Brennstoffzelleneinheit das hohe Temperaturniveau des Anodenabgases vorteilhaft für einen Reformierungs- prozess innerhalb der Reformereinheit genutzt werden. Hierdurch kann vorteilhaft eine
Reduzierung einzukoppelnder Wärme erreicht werden, wodurch die Reformereinheit vorteilhaft kompakt ausgeführt werden kann. Im Vergleich zu einer aus dem Stand der Technik bekannten Brennstoffzellenvorrichtung, bei welcher eine Reformereinheit in Strömungsrichtung betrachtet zwischen einer Fluidfördereinheit und einer Brennstoff- zelleneinheit angeordnet ist, ergibt sich der Vorteil, dass notwendigerweise durchzuführende Änderungen eines Temperaturniveaus eines Fluids innerhalb des Rezirkulati- onskreises betragsmäßig in Summe geringer ausfallen. Ferner kann das Risiko einer Rußbildung vorteilhaft verringert werden, da ein Reformereduktgemisch, welches hö- herkettige Kohlenwasserstoffe enthalten kann, nicht vorgewärmt werden muss. Ferner wird vorgeschlagen, eine Temperatur des Anodenabgases zwischen einem
Austritt aus der Brennstoffzelleneinheit und einem Eintritt in die Reformereinheit um höchstens 15 %, vorzugsweise um höchstens 10 % und besonders bevorzugt um höchstens 5 % abnimmt. Insbesondere beträgt eine insbesondere negative Abweichung der Temperatur des Anodengases von einer Austrittstemperatur des Anodenab- gases aus der Brennstoffzelleneinheit an jedem Punkt eines Fluidströmungspfades zwischen der Brennstoffzelleneinheit und der Reformereinheit maximal 15 %, vorzugsweise um höchstens 10 % und besonders bevorzugt um höchstens 5 %. Insbesondere beträgt eine Austrittstemperatur des Anodenabgases beim Austritt aus der Brennstoffzelleneinheit zumindest 650°C, vorzugsweise zumindest 700°C und besonders bevor- zug zumindest 750°C. Insbesondere nimmt die Temperatur des Anodenabgases zwischen einem Austritt aus der Brennstoffzelleneinheit und einem Eintritt in die Reformereinheit zumindest im Wesentlichen lediglich aufgrund einer Zumischung von frischem Brennstoff ab. Eine Eintrittstemperatur des Anodenabgases und/oder des Anodenabgas-Brennstoff-Gemischs beträgt insbesondere zumindest 550°C, vorzugs- weise zumindest 600°C und besonders bevorzugt zumindest 650°C. Hierdurch kann das hohe Temperaturniveau des Anodenabgases vorteilhaft für einen Reformierungs- prozess innerhalb der Reformereinheit genutzt werden.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass eine Fluidleitung zwischen der
Brennstoffzelleneinheit und der Reformereinheit frei von Temperiereinheiten ist. Unter einer„Temperiereinheit" soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine technische Einheit verstanden werden, welche dazu vorgesehen ist, ein Fluid, insbesondere ein Gas und/oder ein Gasgemisch, durch eine Zuführung und/oder einer Ableitung von thermischer Energie zu erwärmen und/oder zu kühlen. Insbesondere kann eine Tem- periereinheit als ein Wärmeübertrager und/oder als eine elektrische und/oder chemische Heiz- und/oder Kühleinheit ausgebildet sein. Hierdurch kann die thermische Energie des Anodenabgases vorteilhaft verlustarm an die Reformereinheit übertragen werden. Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die Brennstoffzellenvorrichtung zumindest eine
Brennstoffzuleitung aufweist, welche dazu vorgesehen ist, den Brennstoff in Fluidströmungsnchtung betrachtet zwischen der Brennstoffzelleneinheit und der Reformereinheit einzuleiten. Vorzugsweise weist die Brennstoffzellenvorrichtung zumindest eine Mischeinheit auf, welche dazu vorgesehen ist, den Brennstoff mit dem Anodenabgas zu vermischen und welche in Fluidströmungsnchtung betrachtet zwischen der Brennstoffzelleneinheit und der Reformereinheit angeordnet ist. Insbesondere ist die Mischeinheit innerhalb einer Fluidleitung, welche dazu vorgesehen ist, das Anodenabgas von der Brennstoffzelleneinheit zu der Reformereinheit zu leiten, angeordnet und/oder einstückig mit der Fluidleitung, welche dazu vorgesehen ist, das Anodenabgas von der Brennstoffzelleneinheit zu der Reformereinheit zu leiten, ausge- bildet. Unter„einstückig" soll insbesondere zumindest stoffschlüssig verbunden verstanden werden, beispielsweise durch einen Schweißprozess, einen Klebeprozess, einen Anspritzprozess und/oder einen anderen, dem Fachmann als sinnvoll erscheinenden Prozess, und/oder vorteilhaft in einem Stück geformt verstanden werden, wie beispielsweise durch eine Herstellung aus einem Guss und/oder durch eine Herstel- lung in einem Ein- oder Mehrkomponentenspritzverfahren und vorteilhaft aus einem einzelnen Rohling. Insbesondere ist die Brennstoffzuleitung dazu vorgesehen, den Brennstoff in die Mischeinheit einzuleiten. Hierdurch können eine vorteilhafte Zuführung des Brennstoffs und eine vorteilhafte Vermischung des Brennstoffs mit dem Anodenabgas erfolgen.
Ferner wird vorgeschlagen, dass die Brennstoffzellenvorrichtung zumindest einen
Wärmeübertrager aufweist, welcher in Fluidströmungsnchtung betrachtet hinter der Reformereinheit angeordnet und dazu vorgesehen ist, ein aus der Reformereinheit austretendes Fluid vor einem Eintritt in die Fluidfördereinheit zu kühlen. Unter einem „Wärmeübertrager" soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine Einheit verstanden werden, welche dazu vorgesehen ist, Wärme in Richtung eines
Temperaturgefälles zwischen zumindest zwei insbesondere fluiden Stoffströmen zu übertragen, insbesondere in einem Gegenstrombetrieb, Kreuzstrombetrieb und/oder Gleichstromprinzip. Der Wärmeübertrager ist insbesondere dazu vorgesehen, Wärme von dem aus der Reformereinheit austretenden Fluid insbesondere auf ein Kühlfluid zu übertragen. Vorzugsweise weist die Brennstoffzellenvorrichtung zumindest einen weiteren Wärmeübertrager auf, welcher in Fluidströmungsnchtung betrachtet hinter der Fluidfördereinheit angeordnet und dazu vorgesehen ist, ein aus der Fluidfördereinheit austretendes Fluid vor einem Eintritt in die Brennstoffzelleneinheit zu erwärmen. Der Wärmeübertrager ist insbesondere dazu vorgesehen, Wärme von einem Heizmedium auf das aus der Fluidfördereinheit austretende Fluid zu übertragen. Hierdurch kann eine vorteilhafte Temperierung von Fluidströmen innerhalb der Brennstoffzellenvorrichtung erfolgen.
Des Weiteren wird ein Brennstoffzellensystem mit zumindest einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenvorrichtung vorgeschlagen. Insbesondere kann das Brennstoffzellensystem eine Entschwefelungseinheit eine der Reformereinheit strömungstechnisch vorgeschaltete Entschwefelungseinheit aufweisen. Unter einer
„Entschwefelungseinheit" soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine Einheit verstanden werden, welche dazu vorgesehen ist, vorzugsweise durch zumindest ein physikalisches und/oder chemisches Adsorptionsverfahren und/oder
Absorptionsverfahren, einen Volumen- oder Molanteil an Schwefelverbindungen in dem fluidischen Brennstoff unter einen festgelegten Grenzwert zu senken und vorzugsweise zumindest im Wesentlichen aus dem fluidischen Brennstoff zu entfernen. Hierdurch kann ein vorteilhaft kompaktes Brennstoffzellensystem bereitgestellt werden.
Die erfindungsgemäße Brennstoffzellenvorrichtung soll hierbei nicht auf die oben beschriebene Anwendung und Ausführungsform beschränkt sein. Insbesondere kann die erfindungsgemäße Brennstoffzellenvorrichtung zu einer Erfüllung einer hierin beschriebenen Funktionsweise eine von einer hierin genannten Anzahl von einzelnen Elementen, Bauteilen und Einheiten abweichende Anzahl aufweisen.
Zeichnung Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In den
Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Zeichnungen, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems mit einer
Brennstoffzellenvorrichtung, bei welcher eine Fluidfördereinheit in Flu- idströmungsrichtung betrachtet zwischen einer Reformereinheit und einer
Brennstoffzelleneinheit angeordnet ist. Beschreibung des Ausführungsbeispiels Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems 38 mit einer Brennstoffzellenvorrichtung 10. Die Brennstoffzellenvorrichtung 10 ist dazu vorgesehen, mit einem fluidischen Brennstoff 12, beispielsweise Erdgas, betrieben zu werden. Die Brennstoffzellenvorrichtung 10 weist eine Brennstoffzelleneinheit 14 auf. Die Brennstoffzelleneinheit 14 ist hier vereinfacht als eine Brennstoffzelle 40 dargestellt. Zweckmäßig ist jedoch eine Ausbildung einer Brennstoffzelleneinheit als ein Brennstoffzellenstack mit einer Vielzahl von Brennstoffzellen. Die
Brennstoffzelleneinheit 14 weist eine Anode 42 und eine Kathode 44 auf. Der Anode 42 wird während eines Betriebs der Brennstoffzelleneinheit 14 ein aus dem Brennstoff 12 gewonnenes Brenngas 46, insbesondere Wasserstoff, zugeführt. Der Kathode 44 wird während eines Betriebs der Brennstoffzelleneinheit 14 ein Kathodengas 48, insbesondere Luftsauerstoff, zugeführt. Das Brennstoffzellensystem 38 weist eine der Brennstoffzelleneinheit 14 strömungstechnisch vorgeschaltete Entschwefelungseinheit 50 auf. Die Entschwefelungseinheit 50 ist dazu vorgesehen, den Brennstoff 12 zumindest im Wesentlichen zu entschwefeln. Zur Gewinnung des Brenngases 46 weist die Brennstoffzellenvorrichtung 10 eine der Entschwefelungseinheit 50
strömungstechnisch nachgeschaltete Reformereinheit 16 auf. Der Brennstoff 12 wird während eines Betriebs der Brennstoffzelleneinheit 14 über eine Versorgungsleitung 52 in das Brennstoffzellensystem 38 eingespeist. Der Brennstoff 12 wird mittels eines Verdichters 54 gefördert. Das Kathodengas 48 wird über eine weitere
Versorgungsleitung 56 in das Brennstoffzellensystem 38 eingespeist. Das
Kathodengas 48 wird mittels eines Verdichters 58 gefördert. Vor Eintritt in die Kathode 44 der Brennstoffzelleneinheit 14 wird das Kathodengas 48 mittels eines
Wärmeübertragers 60 erwärmt. Ferner weist das Brennstoffzellensystem 38 einen Nachbrenner 62 auf. Der
Nachbrenner 62 ist der Brennstoffzelleneinheit 14 strömungstechnisch nachgeschaltet. Dem Nachbrenner 62 wird ein Teil eines Anodenabgases 22 der
Brennstoffzelleneinheit 14 zugeführt. Der Nachbrenner 62 ist dazu vorgesehen, in dem Anodenabgas 22 der Brennstoffzelleneinheit 14 verbliebene brennbare Stoffe, insbesondere nicht umgesetzten Wasserstoff, zu verbrennen. Ein für einen Betrieb des
Nachbrenners 62 benötigter Sauerstoff wird dem Nachbrenner 62 in Form eines Kathodenabgases 64 der Brennstoffzelleneinheit 14 zugeführt. Ein Abgas 66 des Nachbrenners 62 wird aus dem Brennstoffzellensystem 38 ausgeleitet. Die
Brennstoffzellenvorrichtung 10 weist ferner einen Rezirkulationskreis 68 auf, welcher zu einer teilweisen Rezirkulation des Wasserstoff- und wasserhaltigen Anodenabgases 22 der Brennstoffzelleneinheit 14 vorgesehen ist.
Die Brennstoffzellenvorrichtung 10 weist eine Fluidfördereinheit 18 auf, welche innerhalb des Rezirkulationskreises 68 angeordnet ist. Die Fluidfördereinheit 18 ist dazu vorgesehen zumindest ein Fluid innerhalb des Rezirkulationskreises 68 zu fördern. Insbesondere ist die Fluidfördereinheit 18 als ein Rezirkulationsgebläse ausgebildet.
Die Fluidfördereinheit 18 ist in Fluidströmungsnchtung 20 innerhalb des Rezirkulationskreises 68 betrachtet zwischen der Reformereinheit 16 und der Brennstoffzelleneinheit 14 angeordnet. Die Reformereinheit 16 ist in Fluidströmungsnchtung 20 betrachtet unmittelbar hinter der Brennstoffzelleneinheit 14 angeordnet. Eine Temperatur des Ano- denabgases 22 zwischen einem Austritt aus der Brennstoffzelleneinheit 14 und einem
Eintritt in die Reformereinheit 16 nimmt um höchstens 15 % ab. Eine Fluidleitung 24 zwischen der Brennstoffzelleneinheit 14 und der Reformereinheit 16 ist frei von Temperiereinheiten, wie beispielsweise Wärmeübertragern und/oder Heiz- oder Kühleinheiten.
Die Brennstoffzellenvorrichtung 10 weist eine Brennstoffzuleitung 26 auf, welche dazu vorgesehen ist, den zuvor entschwefelten Brennstoff 12 in Fluidströmungsnchtung 20 betrachtet zwischen der Brennstoffzelleneinheit 14 und der Reformereinheit 16 einzuleiten. Die Brennstoffzellenvorrichtung 10 weist ferner eine Mischeinheit 28 auf, welche dazu vorgesehen ist, den über die Brennstoffzuleitung 26 zugeführten Brennstoff 12 mit dem Anodenabgas 22 zu vermischen und welche in Fluidströmungsnchtung 20 betrachtet zwischen der Brennstoffzelleneinheit 14 und der Reformereinheit 16 angeordnet ist. Des Weiteren weist die Brennstoffzellenvorrichtung 10 einen Wärmeübertrager 30 auf, welcher in Fluidströmungsnchtung 20 betrachtet hinter der Reformereinheit 16 angeordnet und dazu vorgesehen ist, ein aus der Reformereinheit 16 austretendes
Fluid 32 vor einem Eintritt in die Fluidfördereinheit 18 zu kühlen. Die Brennstoffzellenvorrichtung 10 weist ferner einen weiteren Wärmeübertrager 34 auf, welcher in Fluidströmungsnchtung 20 betrachtet hinter der Fluidfördereinheit 18 angeordnet und dazu vorgesehen ist, ein aus der Fluidfördereinheit 18 austretendes Fluid 36 vor einem Eintritt in die Brennstoffzelleneinheit 14 zu erwärmen. Während eines Betriebs der Brennstoffzelleneinheit 14 tritt das Anodenabgas 22 mit einer Temperatur von circa 750°C aus der Anode 42 der Brennstoffzelleneinheit 14 aus. Die Anode 42 der Brennstoffzelleneinheit 14 ist strömungstechnisch unmittelbar mit der Reformereinheit 16 verbunden. Ein Teil des Anodenabgases 22, insbesondere circa 70 % des Anodenabgases 22, wird dem Nachbrenner 62 zugeführt. Ein weiterer Teil des Anodenabgases 22, insbesondere circa 30 % des Anodenabgases 22, wird in der Mischeinheit 28 mit über die Brennstoffzuleitung 26 zugeführtem Brennstoff 12 vermischt und unmittelbar der Reformereinheit 16 zugeführt. Eine Eintrittstemperatur des Anodenabgas-Brennstoff-Gemischs in die Reformereinheit 16 beträgt circa 660°C. Ein aus der Reformereinheit 16 austretendes Fluid 32, insbesondere ein Reformat, weist eine Temperatur von circa 550°C auf. Das aus der Reformereinheit 16 austretende Fluid 32 wird vor einem Eintritt in die Fluidfördereinheit 18 durch den Wärmeübertrager 30 auf circa 140°C gekühlt. Ein aus der Fluidfördereinheit 18 austretendes Fluid 36 wird vor einem Eintritt in die Brennstoffzelleneinheit 14, insbesondere vor einem Eintritt in die Anode 42 der Brennstoffzelleneinheit 14, durch den weiteren Wärmeübertrager 34 auf eine benötigte Prozesstemperatur von circa 700°C erwärmt.

Claims

Ansprüche
1. Brennstoffzellenvorrichtung, welche dazu vorgesehen ist, mit einem fluidischen Brennstoff (12) betrieben zu werden, mit einer Brennstoffzelleneinheit (14), mit einer Reformereinheit (16), welche zur Erzeugung zumindest eines Brenngases (46) für die Brennstoffzelleneinheit (14) vorgesehen ist, und mit einer Fluidfördereinheit
(18), welche dazu vorgesehen ist, zumindest einen Teil eines Anodenabgases (22) der Brennstoffzelleneinheit (14) zu rezirkulieren, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidfördereinheit (18) in Fluidströmungsrichtung (20) betrachtet zwischen der Reformereinheit (16) und der Brennstoffzelleneinheit (14) angeordnet ist.
2. Brennstoffzellenvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die
Reformereinheit (16) in Fluidströmungsrichtung (20) betrachtet unmittelbar hinter der Brennstoffzelleneinheit (14) angeordnet ist.
3. Brennstoffzellenvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Temperatur des Anodenabgases (22) zwischen einem Austritt aus der Brennstoffzelleneinheit (14) und einem Eintritt in die Reformereinheit (16) um höchstens 15 % abnimmt.
4. Brennstoffzellenvorrichtung nach einen der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Fluidleitung (24) zwischen der Brennstoffzelleneinheit (14) und der Reformereinheit (16) frei von Temperiereinheiten ist.
5. Brennstoffzellenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekenn- zeichnet durch zumindest eine Brennstoffzuleitung (26), welche dazu vorgesehen ist, den Brennstoff (12) in Fluidströmungsrichtung (20) betrachtet zwischen der Brennstoffzelleneinheit (14) und der Reformereinheit (16) einzuleiten.
6. Brennstoffzelleneinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Mischeinheit (28), welche dazu vorgesehen ist, den Brennstoff (12) mit dem Anodenabgas (22) zu vermischen und welche in Fluidströ- mungsrichtung (20) betrachtet zwischen der Brennstoffzelleneinheit (14) und der Reformereinheit (16) angeordnet ist.
7. Brennstoffzellenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zumindest einen Wärmeübertrager (30), welcher in Fluidströ- mungsrichtung (20) betrachtet hinter der Reformereinheit (16) angeordnet und dazu vorgesehen ist, ein aus der Reformereinheit (16) austretendes Fluid (32) vor einem Eintritt in die Fluidfördereinheit (18) zu kühlen.
8. Brennstoffzellenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zumindest einen weiteren Wärmeübertrager (34), welcher in Flu- idströmungsrichtung (20) betrachtet hinter der Fluidfördereinheit (18) angeordnet und dazu vorgesehen ist, ein aus der Fluidfördereinheit (18) austretendes Fluid (36) vor einem Eintritt in die Brennstoffzelleneinheit (14) zu erwärmen.
9. Brennstoffzellensystem mit zumindest einer Brennstoffzellenvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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