WO2019178627A1 - Brennstoffzellensystem und verfahren zum aufheizen eines brennstoffzellensystem - Google Patents

Brennstoffzellensystem und verfahren zum aufheizen eines brennstoffzellensystem Download PDF

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Bernd REITER
Jörg MATHÉ
Vincent Lawlor
Michael Reissig
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Definitions

  • the fuel cell system The fuel cell system
  • the present invention relates to a fuel cell system, particularly to an SOFC system, comprising a fuel cell having an anode section and a cathode section, an anode gas heat exchanger having a cold side for conducting anode feed gas to the anode section, and a hot side for heating the anode feed gas by anode exhaust gas from the anode section and / or or cathode exhaust gas from the cathode section, a
  • the invention further relates to a method for heating a generic fuel cell system and the use of a fuel cell system.
  • Fuel cell stack for converting chemical energy into electrical energy known.
  • the two chambers of the starting burner are brought in a first step of, for example, air to an operating temperature of the catalytic material provided therein, between the two chambers, a heat exchanger is provided, in which the fuel is evaporated and overheated, before this in the first or from there then into the second chamber is passed.
  • the fuel is then burned catalytically in the first chamber under the supply of air and exits at a temperature of for example 900 ° C from the same.
  • a temperature of the burned mixture is then only about 600 ° C. Therefore, the second combustion chamber is necessary. In this, the exhaust gas from the first combustion chamber is heated again to the desired 900 ° C, so that all components of the fuel cell system due to the exiting from the second combustion chamber mixture components
  • the respective temperature control devices occupy an essential part of the available installation space in the fuel cell system. In mobile applications in particular, it is important to keep them small or to use them as efficiently as possible.
  • Object of the present invention is to be as compact as possible
  • Another object of the invention is to provide an improved method of heating a fuel cell system. Moreover, it is an object to provide a use for a fuel cell system according to the invention.
  • the fuel cell system includes a fuel cell having an anode portion and a cathode portion.
  • the fuel cell system further includes an anode gas heat exchanger having a cold side for conducting anode feed gas to the anode section and a hot side for heating the anode feed gas by anode exhaust gas from the anode section and / or cathode exhaust gas from the cathode section.
  • the fuel cell system has a cathode gas heat exchanger having a cold side for supplying cathode supply gas to the cathode portion and a hot side for heating the cathode supply gas by cathode exhaust gas from the cathode portion.
  • the previously known second stage of the starting burner has been implemented directly in the hot side of the anode gas heat exchanger and / or the hot side of the cathode gas heat exchanger. On the second stage in the starting burner can be waived accordingly. The starting burner can thus be provided much more compact than previously possible.
  • On a starting burner can be dispensed depending on the fuel used. This is the case, for example, when a purely gaseous fuel or a liquid fuel with a low water content is used. In the
  • liquid fuel with low water content is only necessary to transfer the liquid fuel into a gas phase. This can be done, for example, by an existing fuel cell system anyway
  • Evaporator can be performed.
  • gaseous fuel directly on the hot side of the anode gas heat exchanger and / or on the hot side of the cathode gas heat exchanger, it may be advantageous to
  • the hot side of the anode heat exchanger and / or the hot side of the cathode heat exchanger each comprise a catalyst, that the hot side of the anode heat exchanger has a catalyst and / or the hot side of the cathode heat exchanger has a catalyst.
  • Cathode heat exchangers are preferably designed so that the sides are each coated with a catalyst. That is, according to this
  • the hot side of the anode gas heat exchanger and / or the hot side of the cathode gas heat exchanger may be at least partially catalytically coated. Due to the catalytic coating of the hot side of the anode heat exchanger and / or the hot side of the
  • Cathode heat exchangers are basically no new or special components needed.
  • the space required for the anode heat exchanger and / or the cathode heat exchanger is therefore not or hardly affected.
  • cathode heat exchangers may be catalytically sintered or catalytically coated by immersion in a catalytic solution.
  • fuel can flow directly to the hot side of the
  • Anodenzu classifiedgases is designed by anode exhaust gas from the anode section and / or cathode exhaust gas from the cathode section, should not be understood that the anode gas heat exchanger for heating the
  • Anodenzu classifiedgases is designed exclusively by anode exhaust gas from the anode section and / or cathode exhaust gas from the cathode section. Rather, the Anodenzu 1500gas should at least by anode exhaust gas from the anode section and / or cathode exhaust gas from the cathode section through the
  • the cathode gas heat exchanger is configured to heat the cathode supply gas by cathode exhaust gas from the cathode portion, that the cathode gas heat exchanger for heating the
  • Cathode section is configured. Rather, the Kathodenzu 1500gas should at least by cathode exhaust gas from the cathode section through the
  • Cathode gas heat exchanger be heatable.
  • Under the fuel cell system is preferably an SOFC system, ie a high-temperature fuel cell system with at least one
  • a hot side is in this case a page or an area of a
  • Heat exchanger to understand which or which is at least during operation of the fuel cell system mainly hotter than a cold side or a cold area of the same heat exchanger.
  • an anode supply gas line For feeding the Anodenzu Silicongases to the anode section is designed an anode supply gas line.
  • Cathode gas heat exchanger each having a catalyst.
  • the cold side of the anode gas heat exchanger and / or the cold side of the cathode gas heat exchanger are each catalytically coated. Due to the catalytic coating of the cold side of the anode heat exchanger or in that the cold side of the anode heat exchanger has a catalyst, the anode feed gas can already be heated in a particularly space-saving and simple manner. With the help of a catalyst on the cold side of the
  • Cathode heat exchanger then this preheated with the aid of a suitable fuel to a predetermined temperature.
  • the cold side of the anode gas heat exchanger having a reformer for reforming the Anodenzuzhougases for the anode section and the hot side of the anode gas heat exchanger has an afterburner for burning anode exhaust and / or cathode exhaust gas, wherein the reformer at least partially directly on Afterburner is arranged.
  • Fuel cell system can be provided particularly compact.
  • thermal interactions can be achieved particularly efficiently and effectively.
  • reformer is particularly a reformer for a SOFC system for the production of hydrogen in the fuel cell system or of hydrogen for the anode section of the fuel cell for power generation to understand.
  • Afterburner and the reformer can at least partially directly
  • the reformer and the afterburner each plate-shaped or substantially plate-shaped
  • the afterburner is at least partially annularly arranged around the reformer. It is also possible that the reformer is arranged at least partially annular around the afterburner.
  • an anode gas heat exchanger heating means for heating the hot side of the anode gas heat exchanger and / or on the hot side of the cathode gas heat exchanger
  • Cathode gas heat exchanger heating means for heating the hot side of the
  • Cathode gas heat exchanger are arranged. This allows the
  • Anodengastownleyer and / or the cathode gas heat exchanger can be quickly and easily brought to the desired operating temperature without the use of a dedicated starting burner.
  • the anode gas heat exchanger heating means and the cathode gas heat exchanger heating means are preferably electrical
  • Heating means in particular in the form of an electrical resistance heating
  • anode gas heat exchanger heating means and the cathode gas heat exchanger heating means may also be configured in the form of or as part of an electrically heatable metal catalyst.
  • an evaporator in a fuel cell system upstream of the anode gas heat exchanger and / or upstream of the cathode gas heat exchanger, an evaporator may be arranged to the evaporator of a fuel mixture, the evaporator for supplying the vaporized fuel mixture in fluidkommuniticiander
  • the evaporator takes over in this case the task of the usual starting burner.
  • the evaporator is preferably configured as the evaporator, which also vaporizes the fuel mixture for a reformer of the fuel cell system. This can do that
  • Fuel cell system can be operated very efficiently in a compact design.
  • Anode gas heat exchanger and upstream of the hot side of the Cathode gas heat exchanger a start burner for supplying a heat
  • the start burner combustion chamber has a catalyst. That is, in the starting burner no more open combustion between one
  • the combustion can be reduced to a catalytic and thus flameless combustion. This allows an even more compact and weight-saving design of the fuel cell system.
  • the starting burner has a fuel gas inlet and a starting burner output and the starting burner heat exchanger has a cold side and a hot side, wherein the fuel gas inlet is in fluid communication with the cold side of the starting burner heat exchanger and of the
  • Starting burner output is in fluid communication with the hot side of the starting burner heat exchanger.
  • a recirculation section is created, via which the starting burner can heat up itself during a starting process of the fuel cell system itself.
  • a self-recursively heating starting burner can thus be made available.
  • a production of the fuel cell system according to the invention takes place
  • an additive process such as 3-D printing.
  • the anode heat exchanger and the cathode heat exchanger, Favor and the reformer are manufactured additive. After production, these are catalytically coated, which for example via a
  • Immersion in a catalytic solution or spraying with a catalytic Solution can be done. It is particularly advantageous if all gas-processed elements as well as evaporators, burners are manufactured additive.
  • the method comprises the following steps:
  • the starting burner can be recursively and efficiently heated by the recirculated starting burner exhaust gas.
  • a use of a fuel cell system according to the invention is advantageously carried out for the provision of electrical energy in a motor vehicle.
  • FIG. 1 is a block diagram for explaining a fuel cell system according to a first embodiment of the present invention
  • FIG. 2 shows a detailed view of an anode gas heat exchanger according to an embodiment of the invention
  • FIG. 3 is a block diagram for explaining a fuel cell system according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG 4 shows a motor vehicle with a fuel cell system according to the invention.
  • Fig. 1 is a fuel cell system 1 a schematically according to a first
  • the fuel cell system 1 a has a
  • the fuel cell system 1a has an anode gas heat exchanger 5 having a cold side 6 for conducting anode supply gas to the anode section 3 and a hot side 7 for heating the anode supply gas by anode exhaust gas from the anode section 3 and / or cathode exhaust gas from the cathode section 4, and a cathode gas heat exchanger 8 having a cold side 9 for supplying cathode feed gas to the cathode section 4 and a hot side 10 for heating the cathode feed gas by cathode exhaust gas from the
  • the hot side 7 of the anode gas heat exchanger 5 has a catalytic converter 27.
  • the hot side 10 of the cathode gas heat exchanger 8 also has a catalytic converter 28. More specifically, the hot side 7 of
  • Cathode gas heat exchanger 8 each catalytically coated. Likewise, the cold side 6 of the anode gas heat exchanger 5 has a catalyst 29.
  • the cold side 6 of the anode gas heat exchanger 5 has a in FIG. 2
  • Anodenabites 3 and the hot side 7 of the anode gas heat exchanger 5 has an afterburner 12 also shown in FIG. 2 for burning of Anode exhaust and cathode exhaust gas, the reformer 11 is disposed directly on the afterburner 12.
  • Upstream of the anode gas heat exchanger 5 is an evaporator 26 for evaporating Anodenzu 1500gas and for supplying the vaporized Anodenzuditegases to the anode gas heat exchanger 5 and
  • Reformer 11 of the anode gas heat exchanger 5 is arranged.
  • a starting burner 15 for supplying a heated starting burner exhaust gas through a first Schugas admir 16 to the hot side 7 of the anode gas heat exchanger 5 and by a second Schugas effet 17 to the hot side 10 of the cathode gas heat exchanger 8 is arranged.
  • the starting burner 15 is configured in one stage with a single starting burner combustion chamber 18.
  • the starting burner combustion chamber 18 also has a catalytic converter 30.
  • the starting burner 15 also has a fuel gas inlet 20 and a
  • the starting burner heat exchanger 22 has a cold side 23 and a hot side 24 with the fuel gas inlet 20 in fluid communication with the cold side 23 of the starting burner heat exchanger 22 and the starting burner outlet 21 with the hot side 24 of the starting burner heat exchanger 22 in FIG fluid communicating connection.
  • a fuel gas supply line 25 which can be understood as a recirculation line, is configured on the starting burner 15.
  • Anode section 3 an anode supply gas line 31 is configured.
  • a cathode supply gas line 32 is configured.
  • the anode supply gas line 31 has a branch line 33 for supplying fuel to the cold side 23 of the starting burner heat exchanger 22.
  • the cathode supply gas line 21 has to supply oxygen to an oxygen inlet 19 of the
  • anode exhaust gas guide portion 35 and a cathode exhaust gas guide portion 36 are configured in an outlet region of the fuel cell 2.
  • the anode exhaust gas guide section 35 is for supplying anode exhaust gas from the anode section 3 to the cold side 6 of the anode gas heat exchanger 5 and to the hot side 7 of FIG
  • the cathode exhaust gas guide section 36 is for supplying cathode exhaust gas from the cathode section 4 to the hot side 7 of the anode gas heat exchanger 5 and to the hot side 10 of FIG
  • Cathode gas heat exchanger 8 in fluid-communicating connection.
  • the hot side 7 of the anode gas heat exchanger 5 communicates with the evaporator 26 for supplying burnt and / or processed anode exhaust gas and
  • the anode gas gas exchanger 5 has a reformer 11 and an afterburner 12, wherein the afterburner 12 is arranged in a ring around the reformer 11 and thereby in direct contact with the reformer 11 is.
  • the reformer 11 has a catalyst 29 in the form of an oxidation catalyst.
  • the afterburner 12 also has a catalyst 27 in the form of an oxidation catalyst.
  • FIG. 3 a fuel cell system 1 b according to a further embodiment will be described below. According to the illustrated in Fig. 3
  • Embodiment is dispensed with the use of the starting burner 15.
  • Evaporated fuel is supplied to the hot side 7 of the anode gas heat exchanger 5 directly from the evaporator 16. More specifically, the evaporator 26 is for evaporating a fuel mixture upstream of the
  • Anodengastowners 5 and arranged upstream of the cathode gas heat exchanger 8, wherein the evaporator 26 for supplying the vaporized
  • Cathode gas heat exchanger 8 stands.
  • Anodengastownleyer heating means 13 for heating the hot side 7 of the anode gas heat exchanger 5 is arranged.
  • an electric Kathodengasebenleyer- heating means 14 for heating the hot side 10 of the cathode gas heat exchanger 8 is arranged.
  • Fig. 4 is a motor vehicle 40 having a control unit 38, an electric motor 39 and a fuel cell system 1 a as shown in Fig. 1 in a
  • Fuel cell system 1 a for use as a power source for the electric motor 39 connected thereto and the control unit 38.
  • a method for heating the fuel cell system 1 a will be described below.
  • the star burner combustion chamber 18 is heated with air to a target temperature of about 300 ° C.
  • the reformer 11 and the afterburner 12 may for example also be designed plate-shaped.
  • the fuel is not vaporized by the evaporator 26 upstream of the reformer 11, but by a separate evaporator.
  • the fuel is not vaporized by the evaporator 26 upstream of the reformer 11, but by a separate evaporator.
  • an already gaseous fuel can of course be dispensed with the evaporation of the fuel.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem (1a; 1b), aufweisend eine Brennstoffzelle (2) mit einem Anodenabschnitt (3) und einem Kathodenabschnitt (4), einen Anodengaswärmetauscher (5) mit einer kalten Seite (6) zum Leiten von Anodenzuführgas zum Anodenabschnitt (3) und einer heißen Seite (7) zum Aufheizen des Anodenzuführgases durch Anodenabgas aus dem Anodenabschnitt (3) und/oder Kathodenabgas aus dem Kathodenabschnitt (4), einen Kathodengaswärmetauscher (8) mit einer kalten Seite (9) zum Zuführen von Kathodenzuführgas zum Kathodenabschnitt (4) und einer heißen Seite (10) zum Aufheizen des Kathodenzuführgases durch Kathodenabgas aus dem Kathodenabschnitt (4), wobei die heiße Seite (7) des Anodengaswärmetauschers (5) und/oder die heiße Seite (10) des Kathodengaswärmetauschers (8) jeweils einen Katalysator (27, 28) aufweisen. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Aufheizen eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems (1a) sowie die Verwendung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems (1a; 1b) in einem Kraftfahrzeug (40).

Description

Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Aufheizen eines
Brennstoffzellensystem
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, insbesondere ein SOFC-System, aufweisend eine Brennstoffzelle mit einem Anodenabschnitt und einem Kathodenabschnitt, einem Anodengaswärmetauscher mit einer kalten Seite zum Leiten von Anodenzuführgas zum Anodenabschnitt und einer heißen Seite zum Aufheizen des Anodenzuführgases durch Anodenabgas aus dem Anodenabschnitt und/oder Kathodenabgas aus dem Kathodenabschnitt, einen
Kathodengaswärmetauscher mit einer kalten Seite zum Zuführen von
Kathodenzuführgas zum Kathodenabschnitt und einer heißen Seite zum Aufheizen des Kathodenzuführgases durch Kathodenabgas aus dem Kathodenabschnitt. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Aufheizen eines gattungsgemäßen Brennstoffzellensystems sowie die Verwendung eines Brennstoffzellensystems.
Im Stand der Technik sind SOFC-Systeme mit einem oder mehreren
Brennstoffzellenstapel zum Umwandeln von chemischer Energie in elektrische Energie bekannt. Bei solchen Brennstoffzellensystemen ist es ferner bekannt, einen zweistufigen Startbrenner zum Aufheizen des Brennstoffzellensystems zu
verwenden. Dies ist insbesondere bei einem wasserhaltigen Brennstoff wie einem Ethanol-Wasser-Gemisch notwendig. Während eines Aufheizvorgangs werden die zwei Kammern des Startbrenners in einem ersten Schritt von beispielsweise Luft auf eine Betriebstemperatur des darin vorgesehenen katalytischen Materials gebracht, wobei zwischen den beiden Kammern ein Wärmetauscher vorgesehen ist, in welchen der Brennstoff verdampft und überhitzt wird, bevor dieser in die erste bzw. von dort anschließend in die zweite Kammer geleitet wird. Der Brennstoff wird dann in der ersten Kammer unter Zuführung von Luft katalytisch verbrannt und tritt mit einer Temperatur von beispielsweise 900 °C aus derselben aus. Da das verbrannte Gemisch stromabwärts der ersten Kammer zum Aufheizen des Brennstoffes im Wärmetauscher verwendet werden muss, beträgt eine Temperatur des verbrannten Gemisches dann jedoch nur mehr etwa 600 °C. Deshalb ist die zweite Brennkammer notwendig. In dieser wird das Abgas aus der ersten Brennkammer wieder auf die gewünschten 900°C erhitzt, sodass durch das aus der zweiten Brennkammer austretende Gemisch alle Komponenten des Brennstoffzellensystems auf
Betriebstemperatur gebracht werden können. Die jeweiligen Temperiervorrichtungen nehmen im Brennstoffzellensystem einen wesentlichen Bestandteil des zur Verfügung stehenden Bauraums ein. Insbesondere bei mobilen Anwendungen gilt es diesen stets klein zu halten bzw. möglichst effizient auszunutzen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein möglichst kompaktes
Brennstoffzellensystem mit zufriedenstellenden Heizeigenschaften zur Verfügung zu stellen. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zum Aufheizen eines Brennstoffzellensystems zu schaffen. Darüber hinaus ist es ein Ziel, eine Verwendung für ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystems anzugeben.
Die voranstehende Aufgabe wird durch die Patentansprüche gelöst. Insbesondere wird die voranstehende Aufgabe durch das Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 1 , das Verfahren gemäß Anspruch 9 sowie die Verwendung 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, der erfindungsgemäßen Verwendung und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein
Brennstoffzellensystem zur Verfügung gestellt. Das Brennstoffzellensystem weist eine Brennstoffzelle mit einem Anodenabschnitt und einem Kathodenabschnitt auf. Das Brennstoffzellensystem weist ferner einen Anodengaswärmetauscher mit einer kalten Seite zum Leiten von Anodenzuführgas zum Anodenabschnitt und einer heißen Seite zum Aufheizen des Anodenzuführgases durch Anodenabgas aus dem Anodenabschnitt und/oder Kathodenabgas aus dem Kathodenabschnitt auf. Darüber hinaus weist das Brennstoffzellensystem einen Kathodengaswärmetauscher mit einer kalten Seite zum Zuführen von Kathodenzuführgas zum Kathodenabschnitt und einer heißen Seite zum Aufheizen des Kathodenzuführgases durch Kathodenabgas aus dem Kathodenabschnitt auf. Erfindungsgemäß weist die heiße Seite des
Anodengaswärmetauschers und/oder die heiße Seite des
Kathodengaswärmetauschers jeweils einen Katalysator, insbesondere einen
Oxidationskatalysator, auf. Das heißt, erfindungsgemäß wurde die bisher bekannte zweite Stufe des Startbrenners direkt in die heiße Seite des Anodengaswärmetauschers und/oder die heiße Seite des Kathodengaswärmetauschers implementiert. Auf die zweite Stufe im Startbrenner kann entsprechend verzichtet werden. Der Startbrenner kann dadurch deutlich kompakter als bisher möglich zur Verfügung gestellt werden. In
verschiedenen Ausführungsformen könnte auf einen Startbrenner sogar komplett verzichtet werden. Dies schafft zusätzlichen Bauraum und spart Gewicht bei gleichzeitiger Herabsetzung der Aufheizdauer.
Auf einen Startbrenner kann abhängig vom verwendeten Brennstoff verzichtet werden. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn ein rein gasförmiger Brennstoff oder ein flüssiger Brennstoff mit geringem Wasseranteil verwendet wird. Bei der
Verwendung des flüssigen Brennstoffs mit geringem Wasseranteil ist lediglich eine Überführung des flüssigen Brennstoffes in eine Gasphase notwendig. Dies kann beispielsweise durch einen ohnehin im Brennstoffzellensystem vorhandenen
Verdampfer durchgeführt werden. Bei Verwendung des gasförmigen Brennstoffs direkt an der heißen Seite des Anodengaswärmetauschers und/oder an der heißen Seite des Kathodengaswärmetauschers kann es von Vorteil sein, die
Wärmetauscher bzw. das katalytische Material derselben jeweils auf eine
notwendige Betriebstemperatur zu bringen.
Darunter, dass die heiße Seite des Anodenwärmetauschers und/oder die heiße Seite des Kathodenwärmetauschers jeweils einen Katalysator aufweisen ist zu verstehen, dass die heiße Seite des Anodenwärmetauschers einen Katalysator aufweist und/oder die heiße Seite des Kathodenwärmetauschers einen Katalysator aufweist. Die heiße Seite des Anodenwärmetauschers und/oder die heiße Seite des
Kathodenwärmetauschers sind vorzugsweise dahingehend ausgestaltet, dass die Seiten jeweils mit einem Katalysator beschichtet sind. D.h., gemäß dieser
Ausführungsform können die heiße Seite des Anodengaswärmetauschers und/oder die heiße Seite des Kathodengaswärmetauschers zumindest abschnittsweise katalytisch beschichtet sein. Durch die katalytische Beschichtung der heißen Seite des Anodenwärmetauschers und/oder der heißen Seite des
Kathodenwärmetauschers werden grundsätzlich keine neuen oder speziellen Bauteile benötigt. Der benötigte Bauraum hinsichtlich des Anodenwärmetauschers und/oder des Kathodenwärmetauschers wird demnach nicht oder kaum beeinflusst. Die heiße Seite des Anodenwärmetauschers und/oder die heiße Seite des
Kathodenwärmetauschers können beispielsweise katalytisch gesintert oder durch Eintauchen in eine katalytische Lösung katalytisch beschichtet sein bzw. werden.
Erfindungsgemäß kann Brennstoff direkt auf die heiße Seite des
Anodengaswärmetauschers und/oder die heiße Seite des
Kathodengaswärmetauschers geleitet werden. Durch die katalytische Beschichtung der Wärmetauscher selbst wird die notwendige Wärme zum Aufheizen des
Brennstoffzellensystems bzw. der gewünschten Funktionsbauteile erzeugt.
Darunter, dass der Anodengaswärmetauscher zum Aufheizen des
Anodenzuführgases durch Anodenabgas aus dem Anodenabschnitt und/oder Kathodenabgas aus dem Kathodenabschnitt ausgestaltet ist, soll nicht verstanden werden, dass der Anodengaswärmetauscher zum Aufheizen des
Anodenzuführgases ausschließlich durch Anodenabgas aus dem Anodenabschnitt und/oder Kathodenabgas aus dem Kathodenabschnitt ausgestaltet ist. Vielmehr soll das Anodenzuführgas zumindest durch Anodenabgas aus dem Anodenabschnitt und/oder Kathodenabgas aus dem Kathodenabschnitt durch den
Anodengaswärmetauscher aufheizbar sein. Entsprechend soll darunter, dass der Kathodenabgaswärmetauscher zum Aufheizen des Kathodenzuführgases durch Kathodenabgas aus dem Kathodenabschnitt ausgestaltet ist, nicht verstanden werden, dass der Kathodengaswärmetauscher zum Aufheizen des
Kathodenzuführgases ausschließlich durch Kathodenabgas aus dem
Kathodenabschnitt ausgestaltet ist. Vielmehr soll das Kathodenzuführgas zumindest durch Kathodenabgas aus dem Kathodenabschnitt durch den
Kathodengaswärmetauscher aufheizbar sein.
Unter dem Brennstoffzellensystem ist vorzugsweise ein SOFC-System, also ein Hochtemperatur-Brennstoffzellensystem mit wenigstens einer
Festoxidbrennstoffzelle zu verstehen.
Unter einer heißen Seite ist vorliegend eine Seite bzw. ein Bereich eines
Wärmetauschers zu verstehen, welche bzw. welcher zumindest während eines Betriebs des Brennstoffzellensystems überwiegend heißer als eine kalte Seite bzw. ein kalter Bereich desselben Wärmetauschers ist. Zum Zuführen des Anodenzuführgases zum Anodenabschnitt ist eine Anodenzuführgasleitung ausgestaltet.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es bei einem Brennstoffzellensystem möglich, dass die kalte Seite des
Anodengaswärmetauschers und/oder die kalte Seite des
Kathodengaswärmetauschers jeweils einen Katalysator aufweisen. Insbesondere sind die kalte Seite des Anodengaswärmetauschers und/oder die kalte Seite des Kathodengaswärmetauschers jeweils katalytisch beschichtet. Durch die katalytische Beschichtung der kalten Seite des Anodenwärmetauschers bzw. dadurch, dass auch die kalte Seite des Anodenwärmetauschers einen Katalysator aufweist, kann bereits das Anodenzuführgas auf besonders platzsparende und einfache Weise erhitzt werden. Mit Hilfe eines Katalysators auf der kalten Seite des
Kathodenwärmetauschers dann dieser mit Hilfe eines geeigneten Brennstoffs auf eine vorbestimmte Temperatur vorgeheizt werden.
Weiterhin ist es möglich, dass bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem die kalte Seite des Anodengaswärmetauschers einen Reformer zum Reformieren des Anodenzuführgases für den Anodenabschnitt aufweist und die heiße Seite des Anodengaswärmetauschers einen Nachbrenner zum Verbrennen von Anodenabgas und/oder Kathodenabgas aufweist, wobei der Reformer zumindest abschnittsweise direkt am Nachbrenner angeordnet ist. Durch die Integration des Reformers und des Abgaswärmetauschers in den Anodengaswärmetauscher kann das
Brennstoffzellensystem besonders kompakt bereitgestellt werden. Zudem können thermische Wechselwirkungen besonders effizient und effektiv erreicht werden.
Unter dem Reformer ist insbesondere ein Reformer für ein SOFC-System zur Herstellung von Wasserstoff im Brennstoffzellensystem bzw. von Wasserstoff für den Anodenabschnitt der Brennstoffzelle zur Stromerzeugung zu verstehen. Der
Nachbrenner und der Reformer können zumindest abschnittsweise direkt
nebeneinander bzw. aneinander angeordnet sein. Hierzu können der Reformer und der Nachbrenner jeweils plattenförmig oder im Wesentlichen plattenförmig
ausgestaltet sein und sandwichartig aufeinander liegen. Außerdem ist es möglich, dass der Nachbrenner zumindest teilweise ringförmig um den Reformer herum angeordnet ist. Ebenso ist es möglich, dass der Reformer zumindest teilweise ringförmig um den Nachbrenner herum angeordnet ist. Durch die zumindest abschnittsweise direkte Kontaktierung zwischen Nachbrenner und Reformer kann ein besonders effektiver Wärmeübergang bzw. Wärmetausch zwischen den diesen Funktionsbauteilen erreicht werden. Entsprechend wirkungsvoll kann der
Anodengaswärmetauscher betrieben werden.
Von weiterem Vorteil kann es sein, wenn bei einem Brennstoffzellensystem an der heißen Seite des Anodengaswärmetauschers ein Anodengaswärmetauscher- Heizmittel zum Aufheizen der heißen Seite des Anodengaswärmetauschers und/oder an der heißen Seite des Kathodengaswärmetauschers ein
Kathodengaswärmetauscher-Heizmittel zum Aufheizen der heißen Seite des
Kathodengaswärmetauschers angeordnet sind. Dadurch können der
Anodengaswärmetauscher und/oder der Kathodengaswärmetauscher auch ohne Verwendung eines dedizierten Startbrenners schnell und einfach auf die gewünschte Betriebstemperatur gebracht werden. Das Anodengaswärmetauscher-Heizmittel und das Kathodengaswärmetauscher-Heizmittel sind bevorzugt als elektrisches
Heizmittel, insbesondere in Form einer elektrischen Widerstandsheizung,
ausgestaltet. Vorteilhaft können das Anodengaswärmetauscher-Heizmittel und das Kathodengaswärmetauscher-Heizmittel auch in Form oder als Teil eines elektrisch beheizbaren Metallkatalysators ausgestaltet sein.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltungsvariante der vorliegenden Erfindung kann bei einem Brennstoffzellensystem stromaufwärts des Anodengaswärmetauschers und/oder stromaufwärts des Kathodengaswärmetauschers ein Verdampfer zum Verdampfer eines Brennstoffgemisches angeordnet sein, wobei der Verdampfer zum Zuführen des verdampften Brennstoffgemisches in fluidkommunizierender
Verbindung mit der heißen Seite des Anodengaswärmetauschers und/oder mit der heißen Seite des Kathodengaswärmetauschers steht. Der Verdampfer übernimmt in diesem Fall die Aufgabe des sonst üblichen Startbrenners. Der Verdampfer ist vorzugsweise als der Verdampfer ausgestaltet, der auch das Brennstoffgemisch für einen Reformer des Brennstoffzellensystems verdampft. Damit kann das
Brennstoffzellensystem bei kompakter Bauweise besonders effizient betrieben werden.
Weiterhin ist es möglich, dass bei einem Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung stromaufwärts der heißen Seite des
Anodengaswärmetauschers und stromaufwärts der heißen Seite des Kathodengaswärmetauschers ein Startbrenner zum Zuführen eines erhitzen
Startbrennerabgases durch eine erste Heizgasleitung zur heißen Seite des
Anodengaswärmetauschers sowie durch eine zweite Heizgasleitung zur heißen Seite des Kathodengaswärmetauschers angeordnet ist, wobei der Startbrenner einstufig mit nur einer einzigen Startbrenner-Brennkammer ausgestaltet ist. Wie vorstehend bereits erläutert, kann durch den Katalysator direkt im Anodengaswärmetauscher und/oder direkt im Kathodengaswärmetauscher auf die zweite Stufe im Startbrenner verzichtet werden. Dadurch kann das Brennstoffzellensystem im Vergleich zu herkömmlichen Systemen kompakter und energieeffizienter realisiert werden.
Darüber hinaus ist es bei einem Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, dass die Startbrenner-Brennkammer einen Katalysator aufweist. D.h., im Startbrenner muss keine offene Verbrennung mehr zwischen einem
Brennstoff und Sauerstoff stattfinden. Die Verbrennung kann auf eine katalytische und demnach flammenlose Verbrennung reduziert werden. Dies lässt eine noch kompaktere und gewichtssparendere Bauweise des Brennstoffzellensystems zu.
Bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem kann es zudem von Vorteil sein, wenn der Startbrenner einen Brenngaseingang und einen Startbrennerausgang aufweist und der Startbrenner-Wärmetauscher eine kalte Seite und eine heiße Seite aufweist, wobei der Brenngaseingang mit der kalten Seite des Startbrenner- Wärmetauschers in fluidkommunizierender Verbindung steht und der
Startbrennerausgang mit der heißen Seite des Startbrenner-Wärmetauschers in fluidkommunizierender Verbindung steht. Dadurch wird ein Rezirkulationsabschnitt geschaffen, über welchen sich der Startbrenner während eines Startvorgangs des Brennstoffzellensystems selbst aufheizen kann. Mit anderen Worten kann damit ein sich selbst rekursiv aufheizender Startbrenner zur Verfügung gestellt werden.
Dadurch kann auf zusätzliche Heizsysteme verzichtet werden bzw. zusätzliche Heizsysteme können entsprechend kleiner ausfallen.
Eine Herstellung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems erfolgt
insbesondere zumindest teilweise durch ein additives Verfahren wie beispielsweise über 3-D-Druck. Dabei werden insbesondere der Anodenwärmetauscher und der Kathodenwärmetauscher, bevorzug auch der Reformer additiv gefertigt. Nach einer Fertigung werden diese katalytisch beschichtet, was beispielsweise über ein
Eintauchen in eine katalytische Lösung oder ein Besprühen mit einer katalytischen Lösung erfolgen kann. Besonders vorteilhaft ist es, wenn alle gasverarbeiteten Elemente wie auch Verdampfer, Brenner additiv gefertigt werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Aufheizen eines wie vorstehend beschriebenen Brennstoffzellensystems zur
Verfügung gestellt. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf:
Aufheizen der Starbrenner-Brennkammer auf eine vordefinierbare
Zieltemperatur oder darüber hinaus,
Zuführen von Brennstoff auf die kalte Seite des Startbrenner-Wärmetauscher und von dort durch eine Brenngaszuführleitung und den Brenngaseingang des Startbrenners in die Startbrenner-Brennkammer, und
Zuführen von Startbrennerabgas durch die heiße Seite des Startbrenner- Wärmetauschers auf die heiße Seite des Anodengaswärmetauschers und/oder auf die heiße Seite des Kathodengaswärmetauschers.
Damit bringt ein erfindungsgemäßes Verfahren die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem
beschrieben worden sind. Im Rahmen des Verfahrens kann der Startbrenner durch das rezirkulierte Startbrennerabgas rekursiv und entsprechend effizient aufgeheizt werden.
Eine Verwendung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems erfolgt mit Vorteil zur Bereitstellung von elektrischer Energie in einem Kraftfahrzeug.
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 den Figuren hervorgehende Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten und räumlicher Anordnungen können sowohl für sich als auch in den verschiedenen Kombinationen
erfindungswesentlich sein.
Es zeigen jeweils schematisch: Figur 1 ein Blockdiagramm zum Erläutern eines Brennstoffzellensystems gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Figur 2 eine Detailansicht eines Anodengaswärmetauschers gemäß einer erfin- dungsgemäßen Ausführungsform,
Figur 3 ein Blockdiagramm zum Erläutern eines Brennstoffzellensystems gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und
Figur 4 ein Kraftfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem.
Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den Figuren 1 bis 4 jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
In Fig. 1 ist schematisch ein Brennstoffzellensystem 1 a gemäß einer ersten
Ausführungsform dargestellt. Das Brennstoffzellensystem 1 a weist eine
Brennstoffzelle 2 mit einem Anodenabschnitt 3 und einem Kathodenabschnitt 4 auf. Ferner weist das Brennstoffzellensystem 1a einen Anodengaswärmetauscher 5 mit einer kalten Seite 6 zum Leiten von Anodenzuführgas zum Anodenabschnitt 3 und einer heißen Seite 7 zum Aufheizen des Anodenzuführgases durch Anodenabgas aus dem Anodenabschnitt 3 und/oder Kathodenabgas aus dem Kathodenabschnitt 4, sowie einen Kathodengaswärmetauscher 8 mit einer kalten Seite 9 zum Zuführen von Kathodenzuführgas zum Kathodenabschnitt 4 und einer heißen Seite 10 zum Aufheizen des Kathodenzuführgases durch Kathodenabgas aus dem
Kathodenabschnitt 4, auf.
Die heiße Seite 7 des Anodengaswärmetauschers 5 weist einen Katalysator 27 auf. Zudem weist auch die heiße Seite 10 des Kathodengaswärmetauschers 8 einen Katalysator 28 auf. Genauer gesagt sind die heiße Seite 7 des
Anodengaswärmetauschers 5 und die heiße Seite 10 des
Kathodengaswärmetauschers 8 jeweils katalytisch beschichtet. Ebenso weist die kalte Seite 6 des Anodengaswärmetauschers 5 einen Katalysator 29 auf.
Die kalte Seite 6 des Anodengaswärmetauschers 5 weist einen in Fig. 2
dargestellten Reformer 11 zum Reformieren des Anodenzuführgases für den
Anodenabschnitt 3 auf und die heiße Seite 7 des Anodengaswärmetauschers 5 weist einen ebenfalls in Fig. 2 dargestellten Nachbrenner 12 zum Verbrennen von Anodenabgas und Kathodenabgas auf, wobei der Reformer 11 direkt am Nachbrenner 12 angeordnet ist. Stromaufwärts des Anodengaswärmetauschers 5 ist ein Verdampfer 26 zum Verdampfen von Anodenzuführgas und zum Zuführen des verdampften Anodenzuführgases zum Anodengaswärmetauscher 5 bzw. zum
Reformer 11 des Anodengaswärmetauschers 5 angeordnet.
Stromaufwärts der heißen Seite 7 des Anodengaswärmetauschers 5 und
stromaufwärts der heißen Seite 10 des Kathodengaswärmetauschers 8 ist ein Startbrenner 15 zum Zuführen eines erhitzen Startbrennerabgases durch eine erste Heizgasleitung 16 zur heißen Seite 7 des Anodengaswärmetauschers 5 sowie durch eine zweite Heizgasleitung 17 zur heißen Seite 10 des Kathodengaswärmetauschers 8 angeordnet. Der Startbrenner 15 ist einstufig mit einer einzigen Startbrenner- Brennkammer 18 ausgestaltet. Die Startbrenner-Brennkammer 18 weist ebenfalls einen Katalysator 30 auf.
Der Startbrenner 15 weist außerdem einen Brenngaseingang 20 und einen
Startbrennerausgang 21 auf. Der Startbrenner-Wärmetauscher 22 weist eine kalte Seite 23 und eine heiße Seite 24 auf, wobei der Brenngaseingang 20 mit der kalten Seite 23 des Startbrenner-Wärmetauschers 22 in fluidkommunizierender Verbindung steht und der Startbrennerausgang 21 mit der heißen Seite 24 des Startbrenner- Wärmetauschers 22 in fluidkommunizierender Verbindung steht. Zum Zuführen von Brennstoff von der kalten Seite 23 des Startbrenner-Wärmetauschers 22 in die Startbrenner-Brennkammer 18 ist am Startbrenner 15 eine Brenngaszuführleitung 25 ausgestaltet, die als Rezirkulationsleitung verstanden werden kann.
Zum Zuführen eines Brennstoffs bzw. eines Brennstoffgemisches zum
Anodenabschnitt 3 ist eine Anodenzuführgasleitung 31 ausgestaltet. Zum Zuführen von Sauerstoff bzw. eines sauerstoffhaltigen Fluids wie Luft zum Kathodenabschnitt 4 ist eine Kathodenzuführgasleitung 32 ausgestaltet. Die Anodenzuführgasleitung 31 weist zum Zuführen von Brennstoff zur kalten Seite 23 des Startbrenner- Wärmetauschers 22 eine Abzweigungsleitung 33 auf. Die Kathodenzuführgasleitung 21 weist zum Zuführen von Sauerstoff zu einem Sauerstoffeingang 19 des
Startbrenners 15 bzw. der Startbrenner-Brennkammer 19 eine Abzweigungsleitung 34 auf. In einem Auslassbereich der Brennstoffzelle 2 sind ein Anodenabgasleitabschnitt 35 und ein Kathodenabgasleitabschnitt 36 ausgestaltet. Der Anodenabgasleitabschnitt 35 steht zum Zuführen von Anodenabgas vom Anodenabschnitt 3 zur kalten Seite 6 des Anodengaswärmetauschers 5 sowie zur heißen Seite 7 des
Anodengaswärmetauschers 5 mit der kalten Seite 6 des Anodengaswärmetauschers 5 sowie der heißen Seite 7 des Anodengaswärmetauschers 5 in
fluidkommunizierender Verbindung. Der Kathodenabgasleitabschnitt 36 steht zum Zuführen von Kathodenabgas vom Kathodenabschnitt 4 zur heißen Seite 7 des Anodengaswärmetauschers 5 sowie zur heißen Seite 10 des
Kathodengaswärmetauschers 8 mit der heißen Seite 7 des
Anodengaswärmetauschers 5 sowie der heißen Seite 10 des
Kathodengaswärmetauschers 8 in fluidkommunizierender Verbindung.
Die heiße Seite 7 des Anodengaswärmetauschers 5 steht mit dem Verdampfer 26 zum Zuführen von verbranntem und/oder verarbeitetem Anodenabgas und
Kathodenabgas vom Anodengaswärmetauscher 5 zum Verdampfer 26 durch eine Abgasleitung 37 in fluidkommunizierender Verbindung.
Fig. 2 zeigte eine detaillierte Darstellung einer möglichen Ausführungsvariante des Anodengaswärmetauschers 5. Gemäß Fig. 2 weist der Anodengaswärmetauscher 5 einen Reformer 11 und einen Nachbrenner 12 auf, wobei der Nachbrenner 12 ringförmig um den Reformer 11 und dabei in direktem Kontakt zu dem Reformer 11 angeordnet ist. Wie in Fig. 2 dargestellt, weist der Reformer 11 einen Katalysator 29 in Form eines Oxidationskatalysators auf. Der Nachbrenner 12 weist ebenfalls einen Katalysator 27 in Form eines Oxidationskatalysators auf.
Mit Bezug auf Fig. 3 wird anschließend ein Brennstoffzellensystem 1 b gemäß einer weiteren Ausführungsform beschrieben. Gemäß der in Fig. 3 dargestellten
Ausführungsform wird auf die Verwendung des Startbrenners 15 verzichtet.
Verdampfter Brennstoff wird der heißen Seite 7 des Anodengaswärmetauschers 5 direkt vom Verdampfer 16 zugeführt. Genauer gesagt ist der Verdampfer 26 zum Verdampfen eines Brennstoffgemisches stromaufwärts des
Anodengaswärmetauschers 5 und stromaufwärts des Kathodengaswärmetauschers 8 angeordnet, wobei der Verdampfer 26 zum Zuführen des verdampften
Brennstoffgemisches in fluidkommunizierender Verbindung mit der heißen Seite 7 des Anodengaswärmetauschers 5 und der heißen Seite 10 des
Kathodengaswärmetauschers 8 steht.
An der heißen Seite 7 des Anodengaswärmetauschers 5 ist ein elektrisches
Anodengaswärmetauscher-Heizmittel 13 zum Aufheizen der heißen Seite 7 des Anodengaswärmetauschers 5 angeordnet. Außerdem ist an der heißen Seite 10 des Kathodengaswärmetauschers 8 ein elektrisches Kathodengaswärmetauscher- Heizmittel 14 zum Aufheizen der heißen Seite 10 des Kathodengaswärmetauschers 8 angeordnet.
In Fig. 4 ist ein Kraftfahrzeug 40 mit einem Steuergerät 38, einem Elektromotor 39 und einem wie in Fig. 1 dargestellten Brennstoffzellensystem 1 a in einer
bestimmungsgemäßen Verwendung dargestellt. Genauer gesagt ist das
Brennstoffzellensystem 1 a zur Verwendung als Stromquelle für den Elektromotor 39 mit diesem sowie dem Steuergerät 38 verbunden.
Mit Rückbezug auf Fig. 1 wird anschließend ein Verfahren zum Aufheizen des Brennstoffzellensystems 1 a beschrieben. Hierzu wird in einem ersten Schritt die Starbrenner-Brennkammer 18 mit Luft auf eine Zieltemperatur von ca. 300°C aufgeheizt. Anschließend wird in einem zweiten Schritt Brennstoff auf die kalte Seite 23 des Startbrenner-Wärmetauschers 22 und von dort durch eine
Brenngaszuführleitung 25 und den Brenngaseingang 20 des Startbrenners 15 in die Startbrenner-Brennkammer 18 geleitet. Daraufhin wird in einem dritten Schritt Startbrennerabgas durch die heiße Seite 24 des Startbrenner-Wärmetauschers 22 auf die heiße Seite 7 des Anodengaswärmetauschers 5 und auf die heiße Seite 10 des Kathodengaswärmetauschers 8 geleitet.
Die Erfindung lässt neben den dargestellten Ausführungsformen weitere
Gestaltungsgrundsätze zu. D. h., die Erfindung soll nicht auf die mit Bezug auf die Figuren erläuterten Ausführungsbeispiele beschränkt betrachtet werden. So können der Reformer 11 und der Nachbrenner 12 beispielsweise auch plattenförmig ausgestaltet sein. Außerdem ist es möglich, dass bei einer Ausführungsform des Brennstoffzellensystems 1 b ohne Startbrenner 15 der Brennstoff nicht durch den Verdampfer 26 stromaufwärts des Reformers 11 , sondern durch einen separaten Verdampfer verdampft wird. Bei Verwendung eines bereits gasförmigen Brennstoffs kann auf das Verdampfen des Brennstoffs selbstverständlich verzichtet werden. Bezugszeichenliste
1 Brennstoffzellensystem
2 Brennstoffzelle
3 Anodenabschnitt
4 Kathodenabschnitt
5 Anodengaswärmetauscher
6 kalte Seite des Anodengaswärmetauschers
7 heiße Seite des Anodengaswärmetauschers
8 Kathodengaswärmetauscher
9 kalte Seite des Kathodengaswärmetauschers
10 heiße Seite des Kathodengaswärmetauschers
11 Reformer
12 Nachbrenner
13 Anodengaswärmetauscher-Heizmittel
14 Kathodengaswärmetauscher-Heizmittel
15 Startbrenner
16 erste Heizgasleitung
17 zweite Heizgasleitung
18 Startbrenner-Brennkammer
19 Sauerstoffeingang
20 Brenngaseingang
21 Startbrennerausgang
22 Startbrenner-Wärmetauscher
23 kalte Seite des Startbrenner-Wärmetauschers
24 heiße Seite des Startbrenner-Wärmetauschers
25 Brenngaszuführleitung
26 Verdampfer
27 Katalysator
28 Katalysator
29 Katalysator Katalysator
Anodenzuführgasleitung Kathodenzuführgasleitung Abzweigungsleitung
Abzweigungsleitung
Anodenabgasleitabschnitt Kathodenabgasleitabschnitt Abgasleitung
Steuergerät
Elektromotor
Kraftfahrzeug

Claims

Patentansprüche
1. Brennstoffzellensystem (1 a; 1 b), aufweisend eine Brennstoffzelle (2) mit einem Anodenabschnitt (3) und einem Kathodenabschnitt (4), einen
Anodengaswärmetauscher (5) mit einer kalten Seite (6) zum Leiten von
Anodenzuführgas zum Anodenabschnitt (3) und einer heißen Seite (7) zum Aufheizen des Anodenzuführgases durch Anodenabgas aus dem
Anodenabschnitt (3) und/oder Kathodenabgas aus dem Kathodenabschnitt (4), einen Kathodengaswärmetauscher (8) mit einer kalten Seite (9) zum Zuführen von Kathodenzuführgas zum Kathodenabschnitt (4) und einer heißen Seite (10) zum Aufheizen des Kathodenzuführgases durch Kathodenabgas aus dem Kathodenabschnitt (4),
dadurch gekennzeichnet, dass
die heiße Seite (7) des Anodengaswärmetauschers (5) und/oder die heiße Seite (10) des Kathodengaswärmetauschers (8) jeweils einen Katalysator (27, 28) aufweisen.
2. Brennstoffzellensystem (1 a; 1 b) nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
die kalte Seite (6) des Anodengaswärmetauschers (5) und/oder die kalte Seite (9) des Kathodengaswärmetauschers (8) jeweils einen Katalysator (29) aufweisen.
3. Brennstoffzellensystem (1 a; 1 b) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die kalte Seite (6) des Anodengaswärmetauschers (5) einen Reformer (11 ) zum Reformieren des Anodenzuführgases für den Anodenabschnitt (3) aufweist und die heiße Seite (7) des Anodengaswärmetauschers (5) einen Nachbrenner (12) zum Verbrennen von Anodenabgas und/oder Kathodenabgas aufweist, wobei der Reformer (11 ) zumindest abschnittsweise direkt am Nachbrenner (12) angeordnet ist.
4. Brennstoffzellensystem (1 b) nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
an der heißen Seite (7) des Anodengaswärmetauschers (5) ein
Anodengaswärmetauscher-Heizmittel (13) zum Aufheizen der heißen Seite (7) des Anodengaswärmetauschers (5) und/oder an der heißen Seite (10) des Kathodengaswärmetauschers (8) ein Kathodengaswärmetauscher-Heizmittel (14) zum Aufheizen der heißen Seite (10) des Kathodengaswärmetauschers (8) angeordnet sind.
5. Brennstoffzellensystem (1 b) nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
stromaufwärts des Anodengaswärmetauschers (5) und/oder stromaufwärts des Kathodengaswärmetauschers (8) ein Verdampfer (26) zum Verdampfer eines Brennstoffgemisches angeordnet ist, wobei der Verdampfer (26) zum Zuführen des verdampften Brennstoffgemisches in fluidkommunizierender Verbindung mit der heißen Seite (7) des Anodengaswärmetauschers (5) und/oder mit der heißen Seite (10) des Kathodengaswärmetauschers (8) steht.
6. Brennstoffzellensystem (1 a) nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
stromaufwärts der heißen Seite (7) des Anodengaswärmetauschers (5) und stromaufwärts der heißen Seite (10) des Kathodengaswärmetauschers (8) ein Startbrenner (15) zum Zuführen eines erhitzen Startbrennerabgases durch eine erste Heizgasleitung (16) zur heißen Seite (7) des Anodengaswärmetauschers (5) sowie durch eine zweite Heizgasleitung (17) zur heißen Seite (10) des Kathodengaswärmetauschers (8) angeordnet ist, wobei der Startbrenner (15) einstufig mit einer einzigen Startbrenner-Brennkammer (18) ausgestaltet ist.
7. Brennstoffzellensystem (1 a) nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Startbrenner-Brennkammer (18) einen Katalysator (30) aufweist.
8. Brennstoffzellensystem (1 a) nach einem der Ansprüche 6 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Startbrenner (15) einen Brenngaseingang (20) und einen
Startbrennerausgang (21 ) aufweist und der Startbrenner-Wärmetauscher (22) eine kalte Seite (23) und eine heiße Seite (24) aufweist, wobei der
Brenngaseingang (20) mit der kalten Seite (23) des Startbrenner- Wärmetauschers (22) in fluidkommunizierender Verbindung steht und der Startbrennerausgang (21 ) mit der heißen Seite (24) des Startbrenner- Wärmetauschers (22) in fluidkommunizierender Verbindung steht.
9. Verfahren zum Starten eines Brennstoffzellensystems (1 a) nach Anspruch 8, aufweisend die Schritte:
Aufheizen der Starbrenner-Brennkammer (18) auf eine vordefinierbare Zieltemperatur oder darüber hinaus,
Zuführen von Brennstoff auf die kalte Seite (23) des Startbrenner- Wärmetauscher (22) und von dort durch eine Brenngaszuführleitung (25) und den Brenngaseingang (20) des Startbrenners (15) in die Startbrenner- Brennkammer (18), und
Zuführen von Startbrennerabgas durch die heiße Seite (24) des Startbrenner-Wärmetauschers (22) auf die heiße Seite (7) des Anodengaswärmetauschers (5) und/oder auf die heiße Seite (10) des Kathodengaswärmetauschers (8).
10. Verwendung eines Brennstoffzellensystems (1 a; 1 b) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zur Bereitstellung von elektrischer Energie in einem Kraftfahrzeug (40).
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