WO2018189375A1 - Brennstoffzellensystem mit ringförmigem reformer - Google Patents

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WO2018189375A1
WO2018189375A1 PCT/EP2018/059539 EP2018059539W WO2018189375A1 WO 2018189375 A1 WO2018189375 A1 WO 2018189375A1 EP 2018059539 W EP2018059539 W EP 2018059539W WO 2018189375 A1 WO2018189375 A1 WO 2018189375A1
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fuel cell
reformer
cell system
burner
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Vincent Lawlor
Michael Reissig
Jörg MATHÉ
Julian MAKINSON
Bernd REITER
Thomas Krauss
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Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell system, particularly a SOFC system, comprising a fuel cell stack having an anode section and a cathode section, a reformer for supplying reformed anode gas to the anode section, and an exhaust gas burner for burning anode exhaust gas from the anode section and / or cathode exhaust gas from the cathode section.
  • the invention further relates to a method for operating an SOFC system and to a motor vehicle having such an SOFC system.
  • a catalyst unit for a high-temperature fuel cell system or an SOFC system with a reformer catalyst of a reformer for the treatment of a fuel for a fuel cell and an oxidation dationskatalysator an exhaust gas burner for the exhaust aftertreatment of the fuel cell emerges.
  • the oxidation catalyst is arranged annularly around the cylindrically designed reforming catalyst.
  • the gas paths of the oxidation catalyst and the reforming catalyst are separated by a metal catalyst accommodating the reforming catalyst, the metal pipe having a sleeve forming a housing for the reforming catalyst and an inner pipe forming the inner wall of the annular oxidation catalyst.
  • a starting burner is arranged in the fuel cell system, which can additionally heat or preheat the oxidation catalyst, in particular during a start operation of the fuel cell system. It is desirable, especially for mobile purposes, to keep the number of components and thus the size and weight of a fuel cell system as small as possible or low.
  • WO 2013/187154 A1 discloses a fuel cell module with an exhaust gas burner and a reformer.
  • the reformer has a plurality of reformer conduits which extend parallel to a longitudinal direction of the exhaust gas burner spaced therefrom.
  • the fuel cell module furthermore has an evaporator and a heat exchanger which are connected to one another via a line system in fluid and / or heat exchangers. Connection stand.
  • the exhaust gas burner, the reformer, the evaporator and the heat exchanger require a relatively complex line system and a correspondingly complicated structure of the fuel cell module.
  • the object of the present invention is to at least partially take into account the problem described above.
  • a fuel cell system including a fuel cell stack having an anode portion and a cathode portion.
  • the fuel cell system further includes a reformer for supplying reformed anode gas to the anode section and an exhaust gas burner for burning anode exhaust gas from the anode section and / or cathode exhaust gas from the cathode section.
  • the reformer is at least partially arranged annularly around the exhaust gas burner around, wherein an inner wall portion of the reformer is fully or at least substantially fully disposed around an outer wall portion of the exhaust gas burner around.
  • the direct arrangement of the reformer around the exhaust gas burner described above leads to an advantageous heating arrangement in the fuel cell system.
  • an effective heat transfer from the exhaust gas burner into the reformer can be realized between the exhaust gas burner and the directly annular arranged around this reformer.
  • the reformer preferably adjoins the exhaust gas burner at least in sections, particularly preferably in its entirety. That is, the exhaust gas burner and the reformer are separated from each other only by a partition wall portion of the reformer and / or the exhaust gas burner.
  • the exhaust gas burner is preferably designed cylindrical.
  • the reformer is preferably configured in the form of a hollow cylinder and at least partially arranged in an exact fit annularly around the exhaust gas burner. That is, the cylindrical exhaust gas burner has an outer peripheral portion that is configured corresponding to an inner peripheral portion of the hollow cylindrical reformer, this outer peripheral portion of the exhaust gas burner is disposed on the correspondingly configured inner peripheral portion of the reformer.
  • the exhaust gas burner is preferably configured at least in sections in the form of a straight circular cylinder or substantially in the form of a straight circular cylinder.
  • the reformer preferably has a hollow cylinder with a corresponding receiving portion for receiving the exhaust gas burner therein.
  • the reformer and the exhaust gas burner are not limited to the shape of a straight circular cylinder or a hollow cylinder corresponding thereto.
  • the fuel cell system is preferably configured in the form of an SOFC system with a fuel source and an oxygen source.
  • the fuel source is arranged to provide fuel to the anode section.
  • the oxygen source is arranged to provide oxygen to the cathode portion.
  • the oxygen source can be designed to provide an oxygen-containing fluid (gaseous or liquid) such as air, in particular ambient air.
  • the fuel source a, in particular liquid, fuel or a, in particular liquid, fuel-water mixture is provided.
  • the fuel cell stack may have a plurality of stacking units. That is, the present invention is not limited to a fuel cell system having a single fuel cell stack. Rather, the fuel cell system may include a plurality of fuel cell stacks.
  • the exhaust gas burner may have heat-conducting elements on an outer peripheral surface of the exhaust gas burner which project from the outer peripheral surface of the exhaust gas burner into the reformer or into a fluid-conducting section of the reformer. As a result, a heat transfer between the reformer and the exhaust gas burner can be improved.
  • the heat-conducting elements can be designed in the form of fins and / or ribs. By fins and / or fins on the outer peripheral surface of the exhaust gas burner, the heat transfer between the reformer and the exhaust gas burner can be improved in a simple and cost-effective manner.
  • a hollow-shaped rib can be arranged on the exhaust gas burner and completely circumscribes the exhaust gas burner on the outer circumferential surface of the outlet burner in the axial direction of the exhaust gas burner.
  • an evaporator for evaporating anode gas is arranged and downstream of the evaporator, a heat exchanger is arranged, wherein the heat exchanger for heating the reformer or of anode gas in the reformer, at the former or near the reformer is arranged.
  • the evaporator is preferably arranged directly behind or behind the exhaust gas burner. The arrangement of the evaporator directly downstream of the exhaust gas burner, the anode gas flowing through the evaporator in the direction of the reformer can be effectively heated or overheated.
  • the anode gas can be heated or overheated by the exhaust gas from the exhaust gas burner there before the exhaust passed into the environment of the fuel cell system out becomes.
  • a first fluid line portion of the evaporator, through which the exhaust gas flows from the exhaust gas burner is in thermal communication with a second fluid line portion of the evaporator through which the anode gas flows.
  • Anode gas is to be understood in particular to mean a liquid or gaseous hydrocarbon which is fed to the reformer from a fuel source via the evaporator in order to be conveyed further from the reformer to the anode section.
  • the fuel can, for. As hydrogen, ethanol, methane, or diesel.
  • exhaust gas in the context of the present disclosure is understood to mean anode and / or cathode exhaust gas which are burned in the exhaust gas burner, thereby generating heat which is then available in the evaporator as a heat source. After the evaporator, the exhaust gas is passed through a heat exchanger, which also extracts heat from the (burned) exhaust gas, and released to the environment.
  • the anode exhaust gas contains, after the fuel cell stack, unreacted fuel and other components that are reacted in the exhaust gas burner.
  • the cathode exhaust gas consists essentially, in particular exclusively, of air or an oxygen-containing fluid.
  • a starting burner is arranged upstream of the exhaust gas burner. It can be provided that the exhaust gas burner connects directly to the starting burner. Using the starting burner, the exhaust gas burner or exhaust gas in the exhaust gas burner can be heated particularly quickly during a starting process. Accordingly, a startup process of the fuel cell system can be carried out quickly and efficiently.
  • a fuel cell system according to the invention can be the Position the starting burner particularly easily on the cylindrical exhaust gas burner. It is also conceivable to integrate the starting burner in the exhaust gas burner, which is placed within the reformer ring.
  • the exhaust gas burner and the starting burner are designed as a common or integral component.
  • a common burner advantageously comprises a catalytic material, wherein an additional air supply may be provided.
  • a burner which can function both as a starting burner and as an exhaust gas burner, can, for example, have two or more combustion chambers.
  • the starting burner is understood to be a starting burner for heating the fuel cell system and / or the individual components of the fuel cell system.
  • the fuel cell system can be heated to an operating temperature by the starting burner.
  • anode current may be activated, that is, fuel may be supplied to the anode via an anode path.
  • the fuel supply to the starting burner is deactivated so that it is no longer or passively operated.
  • anode exhaust gas is burned while supplying cathode exhaust gas (air) in the exhaust gas burner.
  • the starting burner has a starting burner injector for injecting fuel into the starting burner.
  • a starting burner injector for injecting fuel into the starting burner.
  • This allows a fuel-air mixture in the starting burner quickly and easily set to a desired stoichiometric mixture ratio.
  • a first, for example substoichiometric, mixing ratio can be set, and then a simple, fast, and a second, for example, stoichiometric or superstoichiometric mixing ratio, a be put.
  • a faster and more efficient starting process of the fuel cell system can be favored in a simple manner.
  • fuel is preferably to be understood as meaning a hydrogen- or hydrocarbon-containing fluid.
  • fuel is burnt in the start burner while supplying air or an oxygen-containing fluid.
  • the starting burner comprises a catalytic material or is catalytically coated.
  • the exhaust gas burner for the combustion of the anode exhaust gas and / or the cathode exhaust gas it is possible for the exhaust gas burner for the combustion of the anode exhaust gas and / or the cathode exhaust gas to have an exhaust gas burner catalyst, in particular a cylindrical oxidation catalytic converter.
  • the exhaust gas burner catalyst can basically operate autonomously or essentially independently. Accordingly, could be dispensed with aids such as supply lines to the exhaust gas burner for the combustion of the exhaust gas.
  • the exhaust gas burner can be provided in a particularly space-saving manner.
  • the degree of complexity of the fuel cell system can thereby be kept low.
  • the exhaust gas burner in addition to the exhaust gas burner catalyst, also has an electrical heating means for additional heating of the anode exhaust gas and / or of the cathode exhaust gas.
  • the exhaust gas burner can first be brought to a predefined operating temperature in order to then be able to function with corresponding efficiency.
  • the exhaust gas burner catalyst may be configured as a coating of the electric heating means.
  • the exhaust gas burner can be made available in a particularly space-saving manner.
  • the exhaust gas burner, an electric heating means when it is formed integrally with the starting burner.
  • the exhaust gas burner is designed to completely burn incinerated fuel in the anode section of the fuel cell stack while supplying cathode exhaust gas, in particular air.
  • the exhaust gas burner in particular comprises a catalytic material or is catalytically coated.
  • an afterburner Under the exhaust gas burner is therefore to be understood in the context of the invention, an afterburner.
  • a reformer catalyst in particular an annular oxidation catalyst which is at least partially disposed around the exhaust gas burner section and / or the Abgasbrenner- catalyst around.
  • the above written to the exhaust gas burner catalyst applies in an analogous manner.
  • the annular reformer catalyst which is arranged in the appropriately designed reformer, is positioned annularly around the cylindrical exhaust gas burner catalyst, which is arranged in the appropriately designed exhaust gas burner, ie if the reformer Catalyst is arranged at least partially coaxial with the exhaust gas burner catalyst.
  • the exhaust gas burner for the combustion of the anode exhaust gas and / or the cathode exhaust gas has an exhaust gas burner injector for injecting fuel into the exhaust gas burner.
  • the Abgasbrennerinjektors can be a fuel-air mixture in the exhaust gas burner quickly and easily set to a desired stoichiometric mixture ratio.
  • a method of operating a fuel cell system as described in detail above.
  • a method according to the invention entails the same advantages as have been described in detail with reference to the fuel cell system according to the invention.
  • the method in the starting burner in a predefined time window during a starting operation of the fuel cell system burned a stoichiometric fuel-air mixture.
  • a substoichiometric fuel-air mixture is burned in the reformer in a predefined time window during a start operation of the fuel cell system in the context of a catalytic partial oxidation.
  • the reformer is additionally supplied with heat, as a result of which the reformer can be heated particularly effectively, in particular during the starting process of the fuel cell system.
  • the anode can be protected from oxidation by air or oxygen by the CPOX operation or by the catalytic partial oxidation in the reformer.
  • a motor vehicle with a fuel cell system as described in detail above for supplying energy to at least one drive unit of the motor vehicle is provided.
  • a motor vehicle according to the invention also brings the same advantages as have been described in detail above.
  • FIG. 1 shows a fuel cell system according to a first embodiment of the present invention
  • FIG. 2 shows an exhaust gas burner reformer unit with an integrated evaporator in a fuel cell system according to the first embodiment of the present invention
  • FIG. 3 shows a fuel cell system according to a second embodiment of the present invention
  • 4 shows a fuel cell system according to a third embodiment of the present invention
  • FIGS. 5 shows a motor vehicle with a fuel cell system according to the present invention. Elements with the same function and mode of operation are each provided with the same reference numerals in FIGS.
  • FIG. 1 schematically shows a fuel cell system 100a according to a first embodiment.
  • the fuel cell system 100a is configured in the form of an SOFC system and has a fuel source 13 in the form of a fuel tank and an oxygen source 14 in the form of a blower.
  • the fuel cell system 100a further includes a fuel cell stack 1 having an anode section 2 and a cathode section 3, a reformer 4 for supplying reformed anode gas to the anode section 2, and an exhaust burner 5 for burning anode exhaust gas from the anode section 2 and cathode exhaust gas from the cathode section 3 on.
  • the reformer 4 is arranged annularly around the exhaust gas burner 5, wherein an inner wall section of the reformer 4 is arranged completely or at least substantially completely around an outer wall section of the exhaust gas burner 5 (will be explained in more detail with reference to FIG. 2).
  • evaporator 6 downstream of the exhaust gas burner 5 and upstream of the reformer 4, an evaporator 6 for evaporating anode gas is arranged downstream of the evaporator 6, a heat exchanger 7 is arranged, wherein the heat exchanger 7, for heating the reformer 4 or of anode gas in the reformer 4, is arranged on the reformer 4.
  • exhaust gas from the exhaust gas burner 5 can be conveyed directly via the evaporator 6 to the heat exchanger 7, and from there into the environment of the fuel cell system 100a.
  • Fuel or anode gas can be conveyed from the fuel source 13 via the evaporator 6 to the annular reformer 6 and from there as reformed anode gas to the anode section 2.
  • Air or an oxygen-containing fluid can from the Oxygen source 14 are conveyed via the heat exchanger 7 to the cathode section 3.
  • the reformer 4, the exhaust gas burner 5 and the evaporator 6 are shown schematically according to a preferred embodiment variant.
  • the evaporator 6 is arranged directly downstream of the exhaust gas burner 5.
  • FIG. 2 can be seen that the reformer 4 has an annular reformer catalyst 12 which is arranged corresponding to a passage volume of the reformer 4 in this.
  • the exhaust gas burner 5 for burning the anode exhaust gas and the cathode exhaust gas has a cylindrical exhaust gas burner catalyst 1 1 in the form of Oxidationskata- analyzer, which is arranged corresponding to a passage volume of the exhaust gas burner 5 in this.
  • the exhaust gas burner catalyst 1 1 and the reformer catalyst 12 are separated from each other only by a partition of the reformer 4 and the exhaust gas burner 5.
  • the reformer catalyst 12 is arranged around the exhaust gas burner catalyst 1 1 over its entire length. This allows a particularly good heat transfer from the exhaust gas burner 5 and the exhaust gas burner catalyst 1 1 to the reformer 4 and the reformer catalyst 12 can be realized.
  • a fuel cell system 100b according to a second embodiment will be described below.
  • the fuel cell system 100b according to the second embodiment substantially corresponds to the fuel cell system 100a according to the first embodiment.
  • the exhaust gas burner 5 for combustion of the anode exhaust gas and the cathode exhaust gas has an exhaust gas burner injector 10 for injecting fuel into the exhaust gas burner 5.
  • the fuel cell system 100c according to the third embodiment substantially corresponds to the fuel cell system 100a according to the first embodiment and the fuel cell system 100b according to the second embodiment. In order to avoid a redundant description, only the distinguishing features according to the third embodiment will be described below.
  • a start burner 8 for heating cathode exhaust gas and anode exhaust gas flowing toward the exhaust gas burner 5 is disposed.
  • the starting burner 8 has a starting burner injector 9 for injecting fuel into the starting burner 8.
  • the starting burner 8 or the starting burner injector 9 can be supplied with fuel from the fuel source 13 and with oxygen, in particular air, from the oxygen source 14.
  • a metering valve 15 is arranged in an oxygen line upstream of the starting burner 8 and downstream of the oxygen source 14.
  • the start burner 8 receives fuel from the fuel source 13 and the oxygen source 14 supplies an oxygen-containing fluid, in particular air. This can be burned in the starting burner 8 for heating the exhaust gas burner 5, a corresponding fuel-air mixture.
  • a stoichiometric fuel-air mixture is burned in the starting burner 8.
  • a substoichiometric fuel-air mixture in the reformer 4 is also burned in the course of a catalytic partial oxidation.
  • the temperature in the fuel cell system 100c, in particular at the reformer 4, the exhaust gas burner 5 and / or the fuel cell stack 1 is determined.
  • FIG. 4 shows a motor vehicle 1000 with a fuel cell system 100a for supplying power to a drive unit 200 in the form of an electric motor of the motor vehicle 1000.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem (100a; 100b; 100c), aufweisend einen Brennstoffzellenstapel (1) mit einem Anodenabschnitt (2) und einem Kathodenabschnitt (3), einen Reformer (4) zum Zuführen von reformiertem Anodengas zum Anodenabschnitt (2), und einen Abgasbrenner (5) zum Verbrennen von Anodenabgas vom Anodenabschnitt (2) und/oder Kathodenabgas vom Kathodenabschnitt (3), wobei der Reformer (4) zumindest abschnittsweise ringförmig um den Abgasbrenner (5) herum angeordnet ist, wobei ein Innenwandabschnitt des Reformers (4) vollumfänglich oder zumindest im Wesentlichen vollumfänglich um einen Außenwandabschnitt des Abgasbrenners (5) herum angeordnet ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem (100a; 100b; 100c) sowie ein Kraftfahrzeug (1000) mit einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem (100a; 100b; 100c).

Description

Brennstoffzellensystem mit ringförmigem Reformer
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, insbesondere ein SOFC-System, aufweisend einen Brennstoffzellenstapel mit einem Anodenabschnitt und einem Kathodenabschnitt, einen Reformer zum Zuführen von reformiertem Anodengas zum Anodenabschnitt, und einen Abgasbrenner zum Verbrennen von Anodenabgas vom Anodenabschnitt und/oder Kathodenabgas vom Kathodenabschnitt. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben eines SOFC-Systems sowie ein Kraftfahrzeug mit einem solchen SOFC-System. Aus der AT 513 932 A1 geht eine Katalysatoreinheit für ein Hochtemperatur- Brennstoffzellensystem bzw. ein SOFC-System mit einem Reformerkatalysator eines Reformers zur Aufbereitung eines Kraftstoffs für eine Brennstoffzelle und einem Oxi- dationskatalysator eines Abgasbrenners für die Abgasnachbehandlung der Brennstoffzelle hervor. Gemäß AT 513 932 A1 ist der Oxidationskatalysator ringförmig um den zylindrisch ausgeführten Reformerkatalysator angeordnet. Die Gaspfade des Oxidationskatalysators und des Reformerkatalysators sind durch ein den Reformerkatalysator aufnehmendes Metallrohr getrennt, wobei das Metallrohr eine Hülse aufweist, die ein Gehäuse für den Reformerkatalysator bildet, sowie ein Innenrohr, das die Innenwand des ringförmigen Oxidationskatalysators bildet. Durch eine solche Anordnung kann auf kompakte Weise ein effektiver Wärmetransport zwischen dem Reformerkatalysator und dem Oxidationskatalysator bzw. zwischen dem Reformer und dem Abgasbrenner realisiert werden. Für ein zusätzliches Erhitzen des Oxidationskatalysators ist in dem Brennstoffzellensystem ein Startbrenner angeordnet, der den Oxidationskatalysator insbesondere bei einem Startbetrieb des Brennstoffzellen- Systems zusätzlich erhitzen oder vorheizen kann. Dabei ist es, insbesondere für mobile Zwecke, wünschenswert, die Bauteilanzahl und somit die Größe und das Gewicht eines Brennstoffzellensystems möglichst klein bzw. gering zu halten.
Aus der WO 2013/187154 A1 geht ein Brennstoffzellenmodul mit einem Abgasbrenner und einem Reformer hervor. Der Reformer weist mehrere Reformerleitungen auf, die parallel zu einer Längsrichtung des Abgasbrenners von diesem beabstandet verlaufen. Das Brennstoffzellenmodul weist ferner einen Verdampfer sowie einen Wärmetauscher auf, die über ein Leitungssystem miteinander in Fluid- und/oder Wärme- Verbindung stehen. Der Abgasbrenner, der Reformer, der Verdampfer und der Wärmetauscher erfordern ein relativ komplexes Leitungssystem und einen entsprechend komplizierten Aufbau des Brennstoffzellenmoduls.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, der voranstehend beschriebenen Prob- lematik zumindest teilweise Rechnung zu tragen. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Brennstoffzellensystem, ein Verfahren zum Betreiben des Brennstoffzellensystems sowie ein Kraftfahrzeug mit dem Brennstoffzellensystem zu schaffen, bei welchen auf kompakte und einfache Weise ein effektiver Wärmetransport zwischen Abgasbrenner, Reformer, Wärmetauscher und/oder Verdamp- fer realisiert werden kann, wodurch das Brennstoffzellensystem insbesondere bei einem Startvorgang auf schnelle und effiziente Weise auf Betriebstemperatur gebracht werden kann.
Die voranstehende Aufgabe wird durch die Patentansprüche gelöst. Insbesondere wird die voranstehende Aufgabe durch das Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 1 , das Verfahren gemäß Anspruch 8 sowie das Kraftfahrzeug gemäß Anspruch 10 gelöst. Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem Brennstoffzellensystem beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, dem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
Gemäß eines ersten Aspekts der vorliegenden Erfindung wird ein Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffzellenstapel zur Verfügung gestellt, der einen Anodenabschnitt und einen Kathodenabschnitt aufweist. Das Brennstoffzellensystem weist ferner einen Reformer zum Zuführen von reformiertem Anodengas zum Anodenabschnitt und einen Abgasbrenner zum Verbrennen von Anodenabgas vom Anodenabschnitt und/oder Kathodenabgas vom Kathodenabschnitt auf. Der Reformer ist zumindest abschnittsweise ringförmig um den Abgasbrenner herum angeordnet, wobei ein Innenwandabschnitt des Reformers vollumfänglich oder zumindest im Wesentlichen vollumfänglich um einen Außenwandabschnitt des Abgasbrenners herum angeordnet ist. Bei Versuchen im Rahmen der vorliegenden Erfindung hat sich überraschend herausgestellt, dass die vorstehend beschriebene direkte Anordnung des Reformers um den Abgasbrenner herum zu einer vorteilhaften Heizanordnung im Brennstoffzellensystem führt. Insbesondere für einen Startvorgang des Brennstoffzellensystems kann zwischen dem Abgasbrenner und dem direkt ringförmig um diesen herum angeordneten Reformer ein effektiver Wärmetransport vom Abgasbrenner in den Reformer realisiert werden. Der Reformer grenzt dabei bevorzugt zumindest abschnittsweise, besonders bevorzugt vollumfänglich direkt an den Abgasbrenner an. D.h., der Abgasbrenner und der Reformer sind lediglich durch einen Trennwandabschnitt des Re- formers und/oder des Abgasbrenners voneinander getrennt.
Der Abgasbrenner ist vorzugsweise zylinderförmig ausgestaltet. Der Reformer ist vorzugsweise hohlzylinderförmig ausgestaltet und zumindest abschnittsweise passgenau ringförmig um den Abgasbrenner herum angeordnet. D.h., der zylinderförmige Abgasbrenner weist einen Außenumfangsabschnitt auf, der korrespondierend zu ei- nem Innenumfangsabschnitt des hohlzylinderförmigen Reformers ausgestaltet ist, wobei dieser Außenumfangsabschnitt des Abgasbrenners am korrespondierend ausgestalteten Innenumfangsabschnitt des Reformers angeordnet ist. Dadurch kann nicht nur eine kompakte Bauform der Abgasbrenner-Reformer-Einheit erzielt werden. Außerdem kann dadurch auch ein effektiver Wärmetransport zwischen dem Refor- mer und dem Abgasbrenner ermöglicht werden. Der Abgasbrenner ist bevorzugt zumindest abschnittsweise in Form eines geraden Kreiszylinders oder im Wesentlichen in Form eines geraden Kreiszylinders ausgestaltet. Der Reformer weist bevorzugt einen Hohlzylinder mit einem entsprechenden Aufnahmeabschnitt zum Aufnehmen des Abgasbrenners darin auf. Gleichwohl sind der Reformer und der Abgasbrenner nicht auf die Form eines geraden Kreiszylinders bzw. einen dazu korrespondierenden Hohlzylinder beschränkt.
Darunter, dass der Reformer zumindest abschnittsweise ringförmig um den Abgasbrenner herum angeordnet ist, ist insbesondere zu verstehen, dass der Reformer nicht über die ganze Länge des Abgasbrenners um diesen herum und zumindest ab- schnittsweise in Axialrichtung des Abgasbrenners um den gesamten Umfang des Abgasbrenners herum, angeordnet ist. Das Brennstoffzellensystem ist vorzugsweise in Form eines SOFC-Systems mit einer Brennstoffquelle und einer Sauerstoffquelle ausgestaltet. Die Brennstoffquelle ist zum Bereitstellen von Brennstoff für den Anodenabschnitt angeordnet. Die Sauerstoffquelle ist zum Bereitstellen von Sauerstoff für den Kathodenabschnitt angeord- net. Die Sauerstoffquelle kann im Rahmen der Erfindung zum Bereitstellen eines sauerstoffhaltigen Fluids (gasförmig oder flüssig) wie Luft, insbesondere Umgebungsluft, ausgebildet sein. Mit der Brennstoffquelle wird ein, insbesondere flüssiger, Brennstoff oder ein, insbesondere flüssiges, Brennstoff-Wasser-Gemisch zur Verfügung gestellt. Der Brennstoffzellenstapel kann mehrere Stapeleinheiten aufweisen. D.h., die vorliegende Erfindung ist nicht auf ein Brennstoffzellensystem mit einem einzigen Brennstoffzellenstapel beschränkt. Vielmehr kann das Brennstoffzellensystem eine Mehrzahl von Brennstoffzellenstapel aufweisen.
Der Abgasbrenner kann an einer Außenumfangsfläche des Abgasbrenners Wärmeleitelemente aufweisen, die von der Außenumfangsfläche des Abgasbrenners vor- sprungartig in den Reformer bzw. in einen Fluidleitabschnitt des Reformers ragen. Dadurch kann ein Wärmetransport zwischen dem Reformer und dem Abgasbrenner verbessert werden. Die Wärmeleitelemente können in Form von Finnen und/oder Rippen ausgestaltet sein. Durch Rippen und/oder Finnen an der Außenumfangsfläche des Abgasbrenners kann der Wärmetransport zwischen dem Reformer und dem Abgasbrenner auf einfache und kostengünstige Weise verbessert werden. Alternativ oder zusätzlich zu den Rippen und/oder den Finnen kann am Abgasbrenner eine he- lixförmige Rippe angeordnet sein, die den Abgasbrenner an der Außenumfangsfläche des Abgangsbrenners in Axialrichtung des Abgasbrenners vollumfänglich umläuft. Dadurch kann der Weg, den Anodengas am heißen Abgasbrenner zurücklegt, verlängert und ein einsprechend effektiver Wärmetransport zwischen dem Abgasbrenner und dem Reformer realisiert werden.
Gemäß einer Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist es möglich, dass bei einem Brennstoffzellensystem stromabwärts des Abgasbrenners und stromaufwärts des Reformers ein Verdampfer zum Verdampfen von Anodengas angeordnet ist und stromabwärts des Verdampfers ein Wärmetauscher angeordnet ist, wobei der Wärmetauscher, zum Erhitzen des Reformers bzw. von Anodengas im Reformer, am Re- former oder in der Nähe des Reformers angeordnet ist. Der Verdampfer ist vorzugsweise direkt hinter bzw. nach dem Abgasbrenner angeordnet. Durch die Anordnung des Verdampfers direkt stromabwärts des Abgasbrenners kann das Anodengas, das über den Verdampfer in Richtung des Reformers strömt, effektiv erhitzt bzw. über- hitzt werden. Dadurch, dass das Abgas aus dem Abgasbrenner über den Verdampfer zum Wärmetauscher, der am Reformer angeordnet ist, geleitet wird, kann das Anodengas durch das Abgas aus dem Abgasbrenner auch dort erhitzt bzw. überhitzt werden, bevor das Abgas in die Umgebung des Brennstoffzellensystems heraus geleitet wird. Zum Erhitzen des Anodengases durch das Abgas des Abgasbrenners steht ein erster Fluidleitungsabschnitt des Verdampfers, durch welchen das Abgas aus dem Abgasbrenner strömt, mit einem zweiten Fluidleitungsabschnitt des Verdampfers, durch welchen das Anodengas strömt, in thermischer Verbindung.
Unter Anodengas ist insbesondere ein flüssiger oder gasförmiger Kohlenwasserstoff zu verstehen, der dem Reformer von einer Brennstoffquelle über den Verdampfer zugeführt wird, um vom Reformer weiter zum Anodenabschnitt gefördert zu werden. Der Brennstoff kann z. B. Wasserstoff, Ethanol, Methan, oder Diesel aufweisen. Darüber hinaus wird unter Abgas im Rahmen der vorliegenden Offenbarung Anoden- und/oder Kathodenabgas verstanden, welche im Abgasbrenner verbrannt werden, wodurch Wärme generiert wird, die anschließend im Verdampfer als Wärmequelle bereit steht. Nach dem Verdampfer wird das Abgas über einen Wärmetauscher geführt, der dem (verbrannten) Abgas ebenfalls Wärme entzieht, und an die Umgebung abgegeben. Das Anodenabgas enthält nach dem Brennstoffzellenstapel noch nicht umgesetzten Brennstoff und andere Bestandteile, die im Abgasbrenner umgesetzt werden. Das Kathodenabgas besteht im Wesentlichen, insbesondere ausschließlich, aus Luft oder einem sauerstoffhaltigen Fluid.
Ferner ist es möglich, dass bei einem Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung stromaufwärts des Abgasbrenners ein Startbrenner angeordnet ist. Es kann vorgesehen sein, dass der Abgasbrenner unmittelbar an den Startbrenner anschließt. Unter Verwendung des Startbrenners kann der Abgasbrenner bzw. Abgas im Abgasbrenner bei einem Startvorgang besonders schnell erhitzt werden. Entsprechend schnell und effizient lässt sich ein Startvorgang des Brennstoffzellensystems durchführen. Bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem lässt sich der Startbrenner besonders leicht am zylinderförmigen Abgasbrenner positionieren. Es ist auch denkbar, den Startbrenner in den Abgasbrenner zu integrieren, welcher innerhalb des Reformerrings platziert ist.
In einer Ausführungsvariante sind der Abgasbrenner und der Startbrenner als ein gemeinsames oder integrales Bauteil ausgebildet. Ein solcher gemeinsamer Brenner umfasst mit Vorteil ein katalytisches Material, wobei eine zusätzliche Luftzufuhr vorgesehen sein kann. Ein Brenner, welcher sowohl als Startbrenner als auch als Abgasbrenner funktionieren kann, kann beispielsweise zwei oder mehr Verbrennungskammern aufweisen.
Unter dem Startbrenner ist im Rahmen der Erfindung ein Startbrenner zum Erwärmen des Brennstoffzellensystems und/oder der einzelnen Komponenten des Brennstoffzellensystems zu verstehen. Bei einem Kaltstart des Brennstoffzellensystems, wenn der Abgasbrenner noch kalt ist und somit nicht zum Erwärmen des Brennstoffzellensystems und/oder zum Halten einer Betriebstemperatur geeignet ist, kann durch den Startbrenner das Brennstoffzellensystem auf eine Betriebstemperatur erhitzt werden.
Nach der Inbetriebnahme des Startbrenners fördert dieser heißes Abgas über die Anoden- und Kathodenseite des Systems. Wenn die Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels erreicht wird, kann ein Anodenstrom aktiviert werden, das heißt Brennstoff kann über einen Anodenpfad der Anode zugeführt werden. Gleichzeitig wird die Brennstoffzufuhr zum Startbrenner deaktiviert, wodurch diese nicht mehr oder passiv betrieben wird. Nun wird Anodenabgas unter Zuführung von Kathodenabgas (Luft) im Abgasbrenner verbrannt.
Weiterhin kann es bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem von Vorteil sein, wenn der Startbrenner einen Startbrenner-Injektor zum Einspritzen von Brennstoff in den Startbrenner aufweist. Dadurch lässt sich ein Brennstoff-Luft-Gemisch im Startbrenner schnell und einfach auf ein gewünschtes stöchiometrisches Mischungsverhältnis einstellen. So kann während eines Startvorgangs des Brennstoffzellensystems ein erstes, beispielsweise unterstöchiometrisches Mischungsverhältnis, eingestellt werden und anschließend auf einfache und schnelle Weise ein zweites, beispielsweise stöchiometrisches oder überstöchiometrisches Mischungsverhältnis, ein- gestellt werden. Mit Hilfe des Startbrenner- Injektors kann auf einfache Weise ein schneller und effizienter Startvorgang des Brennstoffzellensystems begünstigt werden. Unter Brennstoff ist vorliegend vorzugsweise ein Wasserstoff- oder kohlenwas- serstoffhaltiges Fluid zu verstehen. Im Startbrenner wird während eines Aufheizvor- ganges des Brennstoffzellensystems Brennstoff unter Zuführung von Luft oder einem sauerstoffhaltigen Fluid verbrannt. Es kann vorgesehen sein, dass der Startbrenner ein katalytisches Material umfasst oder katalytisch beschichtet ist.
Darüber hinaus ist es möglich, dass bei einem Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung der Abgasbrenner für die Verbrennung des Anodenabgases und/oder des Kathodenabgases einen Abgasbrenner-Katalysator, insbesondere einen zylinderförmigen Oxidationskatalysator, aufweist. Unter Verwendung des Ab- gasbrenner-Katalysators kann der Abgasbrenner grundsätzlich autark oder im Wesentlichen autark funktionieren. Demnach könnte auf Hilfsmittel wie Zuführleitungen zum Abgasbrenner für die Verbrennung des Abgases verzichtet werden. Dadurch kann der Abgasbrenner besonders platzsparend bereitgestellt werden. Weiterhin lässt sich dadurch der Komplexitätsgrad des Brennstoffzellensystems niedrig halten. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung hat es sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, wenn der Abgasbrenner neben dem Abgasbrenner-Katalysator noch ein elektrisches Heizmittel zum zusätzlichen Erhitzen des Anodenabgases und/oder des Kathodenabgases aufweist. Durch das elektrische Heizmittel kann der Abgasbrenner zunächst auf eine vordefinierte Betriebstemperatur gebracht werden, um anschließend mit entsprechender Effizient funktionieren zu können. Bei einer bevorzugten Ausgestaltungsvariante kann der Abgasbrenner-Katalysator als Beschichtung des elektrischen Heizmittels ausgestaltet sein. Dadurch kann der Abgasbrenner beson- ders platzsparend zu Verfügung gestellt werden. Besonders bevorzugt weist der Abgasbrenner ein elektrisches Heizmittel auf, wenn dieser integral mit dem Startbrenner ausgebildet ist. Der Abgasbrenner ist dazu ausgebildet, im Anodenabschnitt des Brennstoffzellenstapels nicht vollständig verbrannten Brennstoff unter Zuführung von Kathodenabgas, insbesondere Luft, vollständig zu verbrennen. Hierfür umfasst der Abgasbrenner insbesondere ein katalytisches Material oder ist katalytisch beschichtet. Unter dem Abgasbrenner ist im Rahmen der Erfindung folglich ein Nachbrenner zu verstehen. Bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem kann es weiterhin von Vorteil sein, wenn der Reformer für die Reformierung des Anodengases einen Reformer- Katalysator, insbesondere einen ringförmigen Oxidationskatalysator, der zumindest abschnittsweise um den Abgasbrennerabschnitt und/oder den Abgasbrenner- Katalysator herum angeordnet ist, aufweist. Hinsichtlich der Vorteile des Reformer- Katalysators gilt das vorstehend zum Abgasbrenner-Katalysator geschriebene in analoger Weise. Bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem ist es von besonderem Vorteil, wenn der ringförmige Reformer-Katalysator, der im entsprechend ausgestalteten Reformer angeordnet ist, ringförmig um den zylinderförmigen Abgasbrenner-Katalysator, der im entsprechend ausgestalteten Abgasbrenner angeordnet ist, positioniert ist, d.h., wenn der Reformer-Katalysator zumindest abschnittsweise koaxial zum Abgasbrenner-Katalysator angeordnet ist. Bei einer solchen Anordnung kann ein besonders wirksamer Wärmetransport zwischen den entsprechenden Abschnitten des Abgasbrenners und des Reformers realisiert werden. Bei einer weiteren Ausgestaltungsvariante der vorliegenden Erfindung ist es möglich, dass bei einem Brennstoffzellensystem der Abgasbrenner für die Verbrennung des Anodenabgases und/oder des Kathodenabgases einen Abgasbrenner-Injektor zum Einspritzen von Brennstoff in den Abgasbrenner aufweist. Mittels des Abgasbrennerinjektors lässt sich ein Brennstoff-Luft-Gemisch im Abgasbrenner schnell und einfach auf ein gewünschtes stöchiometrisches Mischungsverhältnis einstellen. Insbesondere ist es möglich, dosiert Brennstoff in den Abgasbrenner einzuspritzen, um eine Verbrennungstemperatur im Abgasbrenner beispielsweise während eines Startvorgangs des Brennstoffzellensystems temporär zu erhöhen. Bei einem Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung ist es hierbei auf besonders einfache Weise möglich, den Abgasbrenner-Injektor am zylinderförmigen Abgasbrenner zu positionieren.
Gemäß eines weiteren Aspekts der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben eines wie vorstehend im Detail beschriebenen Brennstoffzellensystems zur Verfügung gestellt. Damit bringt ein erfindungsgemäßes Verfahren die gleichen Vor- teile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem beschrieben worden sind. Im Rahmen des Verfahrens wird im Startbrenner in einem vordefinierten Zeitfenster während eines Startbetriebs des Brennstoff- zellensystems ein unterstöchiometrisches Brennstoff-Luft-Gemisch verbrannt.
Dadurch kann der Abgasbrenner effizient erhitzt werden.
Außerdem ist es möglich, dass bei einem erfindungsgemäßen Verfahren im Reformer in einem vordefinierten Zeitfenster während eines Startbetriebs des Brennstoff- zellensystems im Rahmen einer katalytischen partiellen Oxidation ein unterstöchiometrisches Brennstoff-Luft-Gemisch verbrannt wird. Dadurch wird dem Reformer zusätzlich Hitze zugeführt, wodurch der Reformer insbesondere während des Startvorgangs des Brennstoffzellensystems besonders effektiv erhitzt werden kann. Zudem kann die Anode durch den CPOX-Betrieb bzw. durch die katalytische partielle Oxida- tion im Reformer vor Oxidation durch Luft bzw. Sauerstoff geschützt werden.
Gemäß eines weiteren Aspekts der vorliegenden Erfindung wird ein Kraftfahrzeug mit einem wie vorstehend im Detail beschriebenen Brennstoffzellensystem zur Energieversorgung wenigstens einer Antriebseinheit des Kraftfahrzeugs zur Verfügung gestellt. Damit bringt auch ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug die gleichen Vorteile mit sich, wie sie vorstehend ausführlich beschrieben worden sind.
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zu verschiedenen Ausführungsbeispielen der Erfindung, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder der Zeichnung hervorgehende Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten und räumlicher Anordnungen können sowohl für sich betrachtet als auch in den verschiedenen Kombinationen erfindungswesentlich sein.
Es zeigen jeweils schematisch:
Figur 1 ein Brennstoffzellensystem gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Figur 2 eine Abgasbrenner-Reformer-Einheit mit einem integrierten Verdampfer in einem Brennstoffzellensystem gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Figur 3 ein Brennstoffzellensystem gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, Figur 4 ein Brennstoffzellensystem gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und
Figur 5 ein Kraftfahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung. Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den Figuren 1 bis 5 jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
In Fig. 1 ist schematisch ein Brennstoffzellensystem 100a gemäß einer ersten Ausführungsform dargestellt. Das Brennstoffzellensystem 100a ist in Form eines SOFC- Systems ausgestaltet und weist eine Brennstoffquelle 13 in Form eines Brenn- Stofftanks sowie eine Sauerstoffquelle 14 in Form eines Gebläses auf.
Das Brennstoffzellensystem 100a weist ferner einen Brennstoffzellenstapel 1 mit einem Anodenabschnitt 2 und einem Kathodenabschnitt 3, einen Reformer 4 zum Zuführen von reformiertem Anodengas zum Anodenabschnitt 2, und einen Abgasbren- ner 5 zum Verbrennen von Anodenabgas vom Anodenabschnitt 2 und von Katho- denabgas vom Kathodenabschnitt 3 auf. Der Reformer 4 ist ringförmig um den Ab- gasbrenner 5 herum angeordnet, wobei ein Innenwandabschnitt des Reformers 4 vollumfänglich oder zumindest im Wesentlichen vollumfänglich um einen Außenwandabschnitt des Abgasbrenners 5 herum angeordnet ist (wird mit Bezug auf Fig. 2 näher erläutert).
Wie in Fig. 1 dargestellt, ist stromabwärts des Abgasbrenners 5 und stromaufwärts des Reformers 4 ein Verdampfer 6 zum Verdampfen von Anodengas angeordnet. Stromabwärts des Verdampfers 6 ist ein Wärmetauscher 7 angeordnet, wobei der Wärmetauscher 7, zum Erhitzen des Reformers 4 bzw. von Anodengas im Reformer 4, am Reformer 4 angeordnet ist. Gemäß der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform kann somit Abgas aus dem Abgasbrenner 5 direkt über den Verdampfer 6 zum Wärmetauscher 7, und von dort in die Umgebung des Brennstoffzellensystems 100a gefördert werden.
Brennstoff bzw. Anodengas kann von der Brennstoffquelle 13 über den Verdampfer 6 zum ringförmigen Reformer 6 und von dort als reformiertes Anodengas zum Ano- denabschnitt 2 gefördert werden. Luft bzw. ein sauerstoffhaltiges Fluid kann von der Sauerstoffquelle 14 über den Wärmetauscher 7 zum Kathodenabschnitt 3 gefördert werden.
In Fig. 2 sind der Reformer 4, der Abgasbrenner 5 sowie der Verdampfer 6 gemäß einer bevorzugten Ausgestaltungsvariante schematisch dargestellt. Wie in Fig. 2 zu erkennen, ist der Verdampfer 6 direkt stromabwärts des Abgasbrenners 5 angeordnet. Ferner kann Fig. 2 entnommen werden, dass der Reformer 4 einen ringförmigen Reformer- Katalysator 12 aufweist, der korrespondierend zu einem Durchgangsvolumen des Reformers 4 in diesem angeordnet ist. Außerdem ist dargestellt, dass der Abgasbrenner 5 zum Verbrennen des Anodenabgases und des Kathodenabgases einen zylinderförmigen Abgasbrenner-Katalysator 1 1 in Form eines Oxidationskata- lysators aufweist, der korrespondierend zu einem Durchgangsvolumen des Abgasbrenners 5 in diesem angeordnet ist. Der Abgasbrenner-Katalysator 1 1 und der Reformer-Katalysator 12 sind lediglich durch eine Trennwand des Reformers 4 bzw. des Abgasbrenners 5 voneinander getrennt. Der Reformer-Katalysator 12 ist über seine gesamte Länge um den Abgasbrenner-Katalysator 1 1 herum angeordnet. Dadurch kann ein besonders guter Wärmetransport vom Abgasbrenner 5 bzw. vom Abgasbrenner-Katalysator 1 1 auf den Reformer 4 bzw. den Reformer-Katalysator 12 realisiert werden.
Mit Bezug auf Fig. 3 wird anschließend ein Brennstoffzellensystem 100b gemäß ei- ner zweiten Ausführungsform beschrieben. Das Brennstoffzellensystem 100b gemäß der zweiten Ausführungsform entspricht im Wesentlichen dem Brennstoffzellensystem 100a gemäß der ersten Ausführungsform. Zur Vermeidung einer redundanten Beschreibung werden anschließend nur die Unterscheidungsmerkmale gemäß der zweiten Ausführungsform beschrieben. In dem in Fig. 3 dargestellten Brennstoffzellensystem 100b weist der Abgasbrenner 5 für die Verbrennung des Anodenabgases und des Kathodenabgases einen Abgas- brenner-lnjektor 10 zum Einspritzen von Brennstoff in den Abgasbrenner 5 auf.
Mit Bezug auf Fig. 4 wird anschließend ein Brennstoffzellensystem 100c gemäß einer dritten Ausführungsform beschrieben. Das Brennstoffzellensystem 100c gemäß der dritten Ausführungsform entspricht im Wesentlichen dem Brennstoffzellensystem 100a gemäß der ersten Ausführungsform sowie dem Brennstoffzellensystem 100b gemäß der zweiten Ausführungsform. Zur Vermeidung einer redundanten Beschreibung werden anschließend nur die Unterscheidungsmerkmale gemäß der dritten Ausführungsform beschrieben.
Bei dem in Fig. 4 dargestellten Brennstoffzellensystem 100c ist stromaufwärts des Abgasbrenners 5 ein Startbrenner 8 zum Erhitzen von Kathodenabgas und Anodenabgas, das in Richtung des Abgasbrenners 5 strömt, angeordnet. Der Startbrenner 8 weist einen Startbrenner-Injektor 9 zum Einspritzen von Brennstoff in den Startbrenner 8 auf. Der Startbrenner 8 bzw. der Startbrenner-Injektor 9 kann mit Brennstoff von der Brennstoffquelle 13 und mit Sauerstoff, insbesondere Luft, von der Sauerstoffquelle 14 versorgt werden. Für ein dosiertes Zuführen von Sauerstoff von der Sauerstoffquelle 14 zum Startbrenner 8 ist in einer Sauerstoffleitung stromaufwärts des Startbrenners 8 und stromabwärts der Sauerstoffquelle 14 ein Dosierventil 15 angeordnet.
Mit Bezug auf Fig. 4 wird anschließend ein Verfahren zum Betreiben des dargestell- ten Brennstoffzellensystems 100c während eines Startvorgangs des Brennstoffzellensystems 100c beschrieben.
Beim Starten des Brennstoffzellensystems werden dem Startbrenner 8 von der Brennstoffquelle 13 Brennstoff und von der Sauerstoffquelle 14 ein sauerstoffhaltiges Fluid, insbesondere Luft, zugeführt. Dadurch kann im Startbrenner 8 zum Erhitzen des Abgasbrenners 5 ein entsprechendes Brennstoff-Luft-Gemisch verbrannt werden. Während des Starbetriebs des Brennstoffzellensystems wird im Startbrenner 8 ein unterstöchiometrisches Brennstoff-Luft-Gemisch verbrannt. In einem vordefinierten Zeitfenster während des Startbetriebs des Brennstoffzellensystems 100c wird im Rahmen einer katalytischen partiellen Oxidation außerdem ein unterstöchiometri- sches Brennstoff-Luft-Gemisch im Reformer 4 verbrannt. Hierbei wird die Temperatur im Brennstoffzellensystem 100c, insbesondere am Reformer 4, am Abgasbrenner 5 und/oder am Brennstoffzellenstapel 1 ermittelt. Sobald die ermittelte Temperatur am Reformer 4, am Abgasbrenner 5 und/oder am Brennstoffzellenstapel 1 über einem vordefinierten Schwellenwert liegt, wird der Startbrenner 8 deaktiviert. D.h., ein Zu- führen von Brennstoff und Sauerstoff wird eingestellt. In Fig. 4 ist ein Kraftfahrzeug 1000 mit einem Brennstoffzellensystem 100a zur Energieversorgung einer Antriebseinheit 200 in Form eines Elektromotors des Kraftfahrzeugs 1000 dargestellt.
Bezugszeichenliste Brennstoffzellenstapel
Anodenabschnitt
Kathodenabschnitt
Reformer
Abgasbrenner
Verdampfer
Wärmetauscher
Startbrenner
Startbrenner-Injektor
10 Abgasbrenner-Injektor
1 1 Abgasbrenner-Katalysator
12 Reformer-Katalysator
13 Brennstoffquelle
14 Sauerstoffquelle
15 Dosierventil
100a - 100b Brennstoffzellensystem
200 Antriebseinheit
1000 Kraftfahrzeug

Claims

Patentansprüche
1. Brennstoffzellensystem (100a; 100b; 100c), aufweisend einen Brennstoffzellenstapel (1 ) mit einem Anodenabschnitt (2) und einem Kathodenabschnitt (3), einen Reformer (4) zum Zuführen von reformiertem Anodengas zum Anodenabschnitt (2), und einen Abgasbrenner (5) zum Verbrennen von Anodenabgas vom Anodenabschnitt (2) und/oder Kathodenabgas vom Kathodenabschnitt (3), dadurch gekennzeichnet, dass
der Reformer (4) zumindest abschnittsweise ringförmig um den Abgasbrenner (5) herum angeordnet ist, wobei ein Innenwandabschnitt des Reformers (4) vollumfänglich oder zumindest im Wesentlichen vollumfänglich um einen Außenwandabschnitt des Abgasbrenners (5) herum angeordnet ist.
2. Brennstoffzellensystem (100a; 100b; 100c) nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
stromabwärts des Abgasbrenners (5) und stromaufwärts des Reformers (4) ein Verdampfer (6) zum Verdampfen von Anodengas angeordnet ist und stromabwärts des Verdampfers (6) ein Wärmetauscher (7) angeordnet ist, wobei der Wärmetauscher (7), zum Erhitzen des Reformers (4) bzw. von Anodengas im Reformer (4), am Reformer (4) oder in der Nähe des Reformers (4) angeordnet ist.
3. Brennstoffzellensystem (100c) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
stromaufwärts des Abgasbrenners (5) ein Startbrenner (8) angeordnet ist.
4. Brennstoffzellensystem (100c) nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Startbrenner (8) einen Startbrenner-Injektor (9) zum Einspritzen von Brennstoff in den Startbrenner (8) aufweist.
5. Brennstoffzellensystem (100a; 100b; 100c) nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasbrenner (5) für die Verbrennung des Anodenabgases und/oder des Kathodenabgases einen Abgasbrenner-Katalysator (1 1 ), insbesondere einen zylinderförmigen Oxidationskatalysator, aufweist.
6. Brennstoffzellensystem (100a; 100b; 100c) nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Reformer (4) für die Reformierung des Anodengases einen Reformer- Katalysator (12), insbesondere einen ringförmigen Oxidationskatalysator, der zumindest abschnittsweise um den Abgasbrenner (5) und/oder den Abgasbrenner-Katalysator (1 1 ) herum angeordnet ist, aufweist.
7. Brennstoffzellensystem (100b; 100c) nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Abgasbrenner (5) für die Verbrennung des Anodenabgases und/oder des Kathodenabgases einen Abgasbrenner-Injektor (10) zum Einspritzen von Brennstoff in den Abgasbrenner (5) aufweist.
8. Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (100c) nach einem der voranstehenden Ansprüche, umfassend einen Startbrenner (8),
dadurch gekennzeichnet, dass
im Startbrenner (8) in einem vordefinierten Zeitfenster während eines Startbetriebs des Brennstoffzellensystems (100c) ein unterstöchiometrisches Brennstoff-Luft-Gemisch verbrannt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
im Reformer (4) in einem vordefinierten Zeitfenster während eines Startbetriebs des Brennstoffzellensystems (100a; 100b; 100c) im Rahmen einer katalytischen partiellen Oxidation ein unterstöchiometrisches Brennstoff-Luft-Gemisch verbrannt wird.
10. Kraftfahrzeug (1000) mit einem Brennstoffzellensystem (100a; 100b; 100c) zur Energieversorgung wenigstens einer Antriebseinheit (200) des Kraftfahrzeugs (1000), wobei das Brennstoffzellensystem (100a; 100b; 100c) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 ausgestaltet ist.
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