WO2019210346A2 - Brennstoffzellensystem sowie verfahren zum betreiben eines brennstoffzellensystems - Google Patents

Brennstoffzellensystem sowie verfahren zum betreiben eines brennstoffzellensystems Download PDF

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Franz KOBERG
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Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell system comprising at least a fuel cell stack having a first electrode and a second electrode, an air supply section for supplying air to the first electrode
  • Nutzgaszutrabites for supplying Nutzgas to the second electrode, an exhaust air section for discharging exhaust air from the first electrode, a
  • Nutzabgasabites for discharging Nutzabgas from the second electrode, wherein the exhaust section and the Nutzabgasabites open into an exhaust gas burner for at least partially catalytic combustion of the exhaust air and Nutzabgases, and a Brennerabgasabites with a first Brennerabgaszweig and a second Brennerabgaszweig for discharging burner exhaust gas from
  • Heat exchanger element in the air supply section for providing heat energy to the air in the air supply section and the second burner exhaust branch is connected to a second heat exchanger element in the Nutzgaszutrabites for providing heat energy to the Nutzgas in Nutzgaszutrabites. Furthermore, the present invention relates to a method for operating such a fuel cell system.
  • fuel cell systems having one or more fuel cell stacks with mostly a plurality of fuel cells, to use in mobile and stationary applications.
  • fuel cell systems usually have a plurality of subsystems or subunits.
  • subunits in particular the already mentioned at least one fuel cell stack with one or more
  • Other possible subsystems may include, for example, an exhaust gas burner for the at least partial catalytic combustion of reaction products produced in the fuel cell stack, a starting burner for a support of a starting process of the fuel cell system or else a reformer for providing or converting useful gas required in the fuel cell stack.
  • an exhaust gas burner for the at least partial catalytic combustion of reaction products produced in the fuel cell stack
  • a starting burner for a support of a starting process of the fuel cell system
  • a reformer for providing or converting useful gas required in the fuel cell stack.
  • the temperature level to be provided in the fuel cell system can also be influenced by the operating mode in which the fuel cell system is to be operated. So can
  • a fuel cell system for generating electrical energy with consumption of air and Nutzgas be operated on the contrary, however, also in an operating mode in which the fuel cell system with consumption of electrical energy Nutzgas, such as hydrogen and / or
  • Shortening of maintenance intervals may be due to the use of electric heaters.
  • the object of the present invention is that described above
  • Fuel cell system can be simplified to operate the
  • the object is achieved by a
  • a fuel cell system comprising at least one fuel cell stack having a first electrode and a second electrode, an air supply section to
  • Burner exhaust portion for distributing a heat energy stored in the Nutzabgas and / or in the burner exhaust gas in the fuel cell system.
  • a fuel cell system according to the invention has, in particular as a core, at least one fuel cell stack with a first electrode and a second electrode.
  • the electrodes are preferably separated from each other by an electrolyte.
  • the at least one fuel cell stack itself can in turn consist of one or more fuel cells, which in turn each have a first electrode and a second electrode. Preference may also be given as
  • Fuel cell solid fuel cells may be used in a fuel cell stack of a fuel cell system according to the invention.
  • the first electrode is connected in fluid communication with an air feed section on an input side and with an air discharge section on an output side.
  • the first electrode via the Heilzuurrabites air, in particular ambient air are supplied, which preferably has oxygen.
  • this oxygen can react in the first electrode and, for example, release electrons and diffuse as charged ions through the electrolyte to the second electrode. Reaction products and unused air can be routed away as exhaust air through the exhaust air section of the first electrode again.
  • the second electrode also has an input side and an output side.
  • the input side of the second electrode is connected to a Nutzgaszutrabites, the output side to a Nutzabgasabites.
  • Useful gas for example carbon monoxide, hydrogen, methane or the like, can be supplied to the second electrode in this way.
  • the useful gas can then react in the second electrode, for example, with the oxygen ions diffused by the electrolyte, wherein corresponding reaction products and unused Nutzgas can be discharged through the Nutzabgasabites from the second electrode again.
  • a fuel cell system according to the invention can preferably be used both for generating electrical energy and for generating useful gas while consuming electrical energy.
  • electrical energy forms in particular the first electrode, a cathode side and the second electrode an anode side of the fuel cell stack.
  • the first electrode forms the anode and the second electrode forms the cathode of the
  • Another element of a fuel cell system according to the invention is an exhaust gas burner, into which the exhaust air section and the useful exhaust gas section open.
  • the exhaust gas and the Nutzabgas can be supplied to the exhaust gas burner, whereby an at least partially catalytic combustion of these two fluids is possible.
  • this is at least partially catalytic
  • Utilization of the exhaust air and Nutzabgases a total efficiency in the operation of a fuel cell system according to the invention can be further increased.
  • An advantage compared to using electric heaters is the direct generation of heat in the fluid, so that practically no transmission path is necessary, as a result of which heat losses are avoided.
  • the heat generation in the fuel cell stack is basically of one
  • Burner exhaust gas is discharged from a burner exhaust gas portion, said burner exhaust gas portion divides into a first burner exhaust branch and a second burner exhaust branch.
  • Each of these burner exhaust branches leads burner exhaust gas to a heat exchanger element, in particular a first heat exchanger element in the air supply section and a second heat exchanger element in Nutzgaszutrabites. Provision of heat energy for heating both the air and the useful gas, both of which are supplied to the fuel cell stack, can be made possible in this way. Already in this way can a general recycling of the generated heat energy in
  • a fuel cell system according to the invention also has a distribution system.
  • This distribution system comprises in particular flow control means at least in the Nutzabgasabêt and in the
  • Such flow control means can be used in particular to adjust or control in particular a quantity and / or speed of the fluid flowing in the respective section.
  • Burning the exhaust air and Nutzabgases is heated and carries a large amount of stored heat energy in itself, set targeted.
  • Fuel cell system existing heat energy can be provided.
  • An inventive distribution system is preferably designed for detecting a heat energy requirement in the fuel cell system.
  • a demand for heat energy in the fuel cell system may be characterized in particular by a location in the fuel cell system and a size of the demand. It can also be determined by a distribution system according to the invention, where and how much heat energy in the fuel cell system, in particular in the fluids of the fuel cell system, is present.
  • Fuel cell system according to the invention can be simplified.
  • the distribution system may be particularly preferred for the distribution system to have sensor means and an evaluation unit for determining a temperature control requirement of the fuel cell system.
  • sensor means for example temperature sensors
  • evaluation unit for example a computer unit
  • Sensor means may preferably be used in particular at those locations of the
  • Be arranged fuel cell system where either a
  • Temperierungs office is expected, for example, on and / or in a reformer, an evaporator and / or heat exchanger, or where heat energy is generated and / or provided, for example, the exhaust air section, the
  • Distribution system according to the invention and thereby a fuel cell system according to the invention can be provided. Furthermore, a distribution system according to the invention can also provide appropriate means of communication between the
  • Sensor means, the flow control means and the evaluation include.
  • Communication means in the sense of the invention can represent, in particular, wired and / or wireless communication paths.
  • a fuel cell system according to the invention may also be characterized in that the flow control means comprise at least one controllable first valve in the Nutzabgasabites, a controllable second valve in the first burner exhaust branch and a controllable third valve in the second burner exhaust branch.
  • the Nutzabgasabites and in particular the Brennerabgaszweige lead with the Nutzabgas and the burner exhaust gas fluids or gases of the fuel cell system, which have a particularly high temperature and thus carry a particularly high heat energy in itself.
  • Heat energy in the fluids in the above-mentioned pipe sections of a fuel cell system according to the invention can be controlled by valves in these
  • Line sections are particularly easy to be provided.
  • useful exhaust gas is supplied to the exhaust gas burner by the Nutzabgasabites.
  • the first valve By the first valve thus a lot of Nutzabgases is controllable or regulated.
  • An increase in the amount of Nutzabgases usually leads to an increase in
  • Exhaust gas burner temperature and thereby the burner exhaust gas Conversely, a reduction in an amount of useful exhaust at an at least partial closure of the first valve to a reduction in the exhaust gas burner temperature and thereby the temperature of the burner exhaust gas lead.
  • the second and the third valve are each arranged in a burner exhaust branch, wherein each of these Brennerabgaszweige comprises at least one heat exchanger element, the first exhaust branch with respect to the Luftzutrabitess, the second burner exhaust branch with respect to the Nutzgaszutrabitess.
  • a quantity of burner exhaust gas can be controlled and / or regulated by a second valve
  • Heat exchanger is supplied in the air supply.
  • the third valve can be used to control and / or control an amount of burner exhaust gas, which is supplied to the heat exchanger in the Nutzgaszutechnisch, said heat exchanger can also be designed as a reformer.
  • the second valve is arranged in the first burner exhaust branch downstream of the first heat exchanger element and / or that the third valve in the second burner exhaust branch downstream of the second
  • Heat exchanger element is arranged. In these particularly preferred
  • Heat exchanger element arranged, whereby an at least partial release of thermal energy from the flowing in the respective burner exhaust branch fluid in the heat exchanger element has already been carried out.
  • the fluid flowing in the respective burner exhaust branch is at least partially already cooled, whereby a requirement for the second valve and / or the third valve with respect to a temperature resistance can be reduced.
  • a use of simpler and therefore more cost-effective valves can be provided in this way.
  • a fuel cell system of the present invention can be used
  • Burner air supply opens into the exhaust gas burner. In this way, it is possible in particular to supply fresh air to the exhaust gas burner in addition to the exhaust air of the fuel cell stack. By this additional supply of air, which usually has a lower temperature than the exhaust air and / or the Nutzabgas, a firing temperature of the exhaust gas burner can be changed, in particular be reduced. In particular, in this way too high temperatures in the
  • Exhaust gas burner can be provided in this way, whereby overall, an overall efficiency of the fuel cell system according to the invention can be increased.
  • Fuel cell system may further be provided that the
  • Flow control means comprise a fourth valve for adjusting an amount of air delivered in the burner air supply and / or a heating element in the burner air supply for heating the air supplied in the burner air supply.
  • a fourth valve for adjusting an amount of air delivered in the burner air supply and / or a heating element in the burner air supply for heating the air supplied in the burner air supply.
  • Exhaust gas burner supplied air can be adjusted.
  • a heating element in turn allows a control or regulation of a temperature that the
  • Exhaust gas burner supplied additional air.
  • a control or adjustment of a setting of an exhaust gas burner temperature and thereby the temperature or the heat energy content of the burner exhaust gas can be further improved in this way.
  • An even better and needs-adapted distribution of heat energy in the fuel cell system can be made possible in this way.
  • the flow control means comprise an air supply fan in the air supply section for adjusting an amount of the air delivered in the air supply section.
  • a temperature in the fuel cell stack as well as optionally in the exhaust gas burner can be controlled at least indirectly by this air supply. Also, a control and / or regulation of a reaction rate in
  • Fuel cell stack via a controlled change in the amount of air supplied through the air supply to the first electrode air is possible.
  • a distribution of heat energy in the fuel cell system according to the invention can thus be provided by a flow control means designed as an air supply fan, in particular by controlling and / or regulating a heat energy generated in the fuel cell system.
  • the fuel cell system may also be preferable for the fuel cell system to have an evaporator for the
  • Such an evaporator is a potential consumer of heat energy present in the fuel cell stack, thereby incorporating such an evaporator into a
  • Distribution system according to the invention is advantageous. In this way it can be provided in particular that already in the fuel cell system
  • Fuel cell system can be enabled. This can be provided, in particular, by arranging the evaporator for transferring heat energy in the respective fluid downstream of the useful exhaust gas section and / or at least one of the burner exhaust gas branches.
  • the Nutzabgasabêt and the burner exhaust branches represent those line sections in which fluids with the highest temperatures and thus the highest stored heat energy are performed, in particular Nutzabgas
  • a fuel cell system according to the invention can be further developed such that the evaporator is designed as a two-stage evaporator.
  • Two-stage within the meaning of the invention means in particular that in the evaporator two stages, each with one of a heating medium flowed through heat exchangers are present, preferably a first stage is already designed for partial evaporation of the fluid and with a second stage, a complete evaporation can be achieved or achieved , A transition from the first stage to the second stage is advantageously two-phase or two-phase mixture.
  • the second stage is disposed downstream of the first stage with respect to a flow direction of the fluid to be evaporated in the evaporator. That too
  • vaporizing fluid is thus evaporated in both stages, which is preferably only partially evaporated in the first stage and also overheated in the second stage.
  • the first stage is used only for heating the fluid to be evaporated of the evaporator and the second stage, which is arranged downstream of the first stage with respect to a direction of flow of the fluid to be evaporated in the evaporator, for actual evaporation.
  • Nutzabgaszweig opens into the exhaust gas burner and in particular comprises the first valve, and wherein the evaporator at the burner exhaust gas and the second
  • the combined burner exhaust gas from the first burner exhaust branch and the second burner exhaust branch, combined in the burner exhaust branch, can thus be fed to the evaporator.
  • the Nutzabgasabterrorism shares in a first Nutzabgaszweig and a second Nutzabgaszweig, in particular, the second Nutzabgaszweig is fed directly to the evaporator.
  • the burner exhaust gas since the burner exhaust gas has already given off at least part of its heat energy after it has flowed through the two heat exchanger elements, the combined exhaust gas can be combined
  • Nutzabgaszweigs be used for complete evaporation of the already at least partially gaseous fluid in the evaporator.
  • a particularly efficient use of the entire existing heat energy in the fluids, in particular in the burner exhaust gas and in the useful exhaust gas of a fuel cell stack according to the invention can be provided in this way.
  • a fuel cell system of the present invention can be used
  • Nutzabgaszweig connects with the Nutzgaszutrabrough.
  • a recirculation section can thus be provided that unused useful gas, which is located in the Nutzabgas, can be recycled.
  • a conservation of thermal energy stored in the Nutzabgas can be provided in this way in the fuel cell system.
  • a fuel cell system of the present invention can be used
  • the flow control means comprise a recirculation blower in the recirculation section for adjusting a quantity of the useful exhaust gas conveyed in the recirculation section.
  • a recirculation fan can in particular provide a control or regulation of a quantity of the recirculated useful exhaust gas. At least indirectly, in this way a control or regulation of heat recovery by an initiation of the
  • a condensation device is arranged for separating water and / or useful gas from the Nutzabgas.
  • water and / or useful gas can be recovered from the useful exhaust gas.
  • Such recovered water or useful gas can storage and / or further use in the invention
  • Fuel cell system can be supplied. This also makes it possible to increase the overall efficiency when operating a device according to the invention
  • a fuel cell system according to the invention can be further developed such that the fuel cell system has an operating valve upstream of the condensation device, wherein the
  • Fuel cell system is formed with the operating valve closed to generate electrical energy and with the operating valve open to generate useful gas.
  • an operation of the fuel cell system for generating electricity or for electrolysis can be adjusted by such an operating valve, which is in particular in the Nutzabgasabêt, preferably in the second Nutzabgaszweig, and controls a supply of Nutzabgas to the condensation device.
  • the fuel cell system according to the invention thus becomes electrical energy
  • the object is achieved by a method for operating a fuel cell system according to the first aspect of the invention.
  • a method according to the invention is characterized by the following steps: a) determination of a temperature control requirement of the fuel cell system, b) activation of the flow control means for distributing one in the useful exhaust gas
  • the fuel cell system according to the first aspect of the invention has been described, can thus also by an inventive
  • a method for operating a fuel cell system can be provided, which is carried out by a fuel cell system according to the invention according to the first aspect of the invention.
  • a) of a method according to the invention is a
  • Temper eins lie the fuel cell system determined.
  • information is available as to which temperature levels should prevail in the interior of the fuel cell system according to the invention in order to enable the most efficient operation of the fuel cell system.
  • step b) of a method according to the invention for controlling flow control means for distributing a heat energy stored in the useful exhaust gas and / or burner exhaust gas in the fuel cell system. Since this driving and distribution of the heat energy, in particular based on the determined in step a) Temper michs bag is performed, therefore, after performing a method according to the invention preferably such
  • step a) and preferably also step b) of a
  • inventive method continuously or at least substantially continuously.
  • a method according to the invention can be further developed such that in step a) at least one local tempering requirement of the fuel cell system is determined.
  • Local in the sense of the invention may in particular locally
  • a method according to the invention can be designed such that in step b), valves for controlling a heat transfer in the fuel cell system are switched as flow control means, in particular in order to fulfill a local temperature control requirement determined in step a).
  • Valves are in particular particularly preferred flow control means, since they are of simple mechanical construction and yet are designed to control and / or regulate in particular quickly and effectively, in particular, a quantity of delivered fluid which in each case carries thermal energy.
  • Other possible flow control agents can be used in step b).
  • conveyor units such as blowers, or heating elements represent.
  • the flow control means which may be preferably designed as valves, a particularly good and in particular customized distribution of heat energy stored in the fluids of the fuel cell system.
  • Figure 1 shows a first embodiment of an inventive
  • Figure 2 shows a second embodiment of an inventive
  • Figure 3 shows a distribution system
  • FIG. 4 shows a method according to the invention.
  • Fig. 1 shows a possible embodiment of an inventive
  • Fuel cell system 100 The fuel cell system 100 according to the invention has in particular a distribution system 40, whereby a particularly efficient operation of the fuel cell system 100 according to the invention can be made possible. This will be described below with reference to the illustrated embodiment of a fuel cell system 100 according to the invention.
  • a fuel cell system 100 has, in particular, a fuel cell stack 1, which can be constructed, for example, from a plurality of fuel cells, preferably solid fuel cells (SOFC).
  • the fuel cell stack 1 has a first electrode 2 and a second electrode 3.
  • the first electrode 2 is in particular connected to an air supply section 10, as a result of which air 30, for example taken from an environment 101 of the fuel cell system 100, can be supplied to the first electrode 2.
  • Analogous the fuel cell system 100 has a Nutzgaszutrabêt 11, by the Nutzgas 31, for example, hydrogen, carbon monoxide, methane or
  • the second electrode 3 can be supplied.
  • the air 30 and the useful gas 31 can react with one another, for example by diffusing oxygen ions through the electrolyte, for example to generate electrical energy ,
  • This electrical energy can be delivered, for example, to an electrical connection 102.
  • Nutzgas 31 for example water vapor and / or carbon dioxide, further or other useful gas 31, for example, a hydrogen and / or carbon monoxide enriched gas mixture to produce.
  • an exhaust air section 12 for discharging an exhaust air 32 and a Nutzabgasabêt 13 for discharging a Nutzabgases 33 are provided on the fuel cell stack 1.
  • Both the exhaust air 32 and in particular the Nutzabgas 33 are heated by the reactions in the fuel cell stack 1. Basically, however, this depends on one operating point.
  • Fuel cell stack 1 divides in a branching point 14 into a first Nutzabgaszweig 15 and a second Nutzabgaszweig 16.
  • the first Nutzabgaszweig 15 is fed to an exhaust gas burner 4, in which also the
  • Exhaust section 12 opens. An at least partial catalytic combustion of the exhaust air 32 with the useful exhaust gas 33 in the exhaust gas burner 4 can be provided thereby.
  • the resulting burner exhaust 34 in particular also has a particularly high temperature. However, high temperatures mean a large amount of heat energy stored in the fluids at the same time.
  • the burner exhaust gas section 17 is divided into a first burner exhaust branch 18 and a second burner exhaust branch 19.
  • the first burner exhaust branch 18 comprises
  • the second exhaust gas burner branch 19 comprises a second heat exchanger element 6, which at the Nutzgaszutrabites 11
  • This second heat exchanger element 6 may, for example, also be trained as a reformer. A release of heat energy directly to the useful gas 31 or a support of a reforming of the Nutzgas 31 can be provided in this way.
  • this distribution system 40 comprises flow control means 50, by means of which a flow or a quantity of flowing fluids in the individual line sections 10, 13, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21 of the fuel cell stack 1 according to the invention is possible, thus also a control of the heat energy provided by the respective fluids can be made possible.
  • Fuel cell system in particular the Nutzabgas 33 and the burner exhaust 34 are stored, can be provided in this way.
  • Signal transmission necessary signal lines 43 are not shown in Fig. 1. These signal lines 43 may be wired, but also wireless.
  • a control of the flow control means 50 is usually via control lines 44, which are also not shown in Fig. 1. These control lines 44 can in turn be wired or wireless. Particularly preferred as flow control means 50, a first valve 51 in the first
  • a second valve 52 in the first burner exhaust branch 18 and a third valve 53 in the second burner exhaust branch 19 are used.
  • an amount of useful exhaust gas 33 which is supplied to the exhaust gas burner 4 can be adjusted by the first valve 51.
  • a particularly simple setting of a firing temperature in the exhaust gas burner 4 and thus an outlet temperature of the burner exhaust gas 34 can be provided in this way.
  • the second valve 52 and third valve 53 in turn allow for adjusting an amount
  • Burner exhaust 34 which is the first heat exchanger element 5 and the second heat exchanger element 6 is supplied.
  • a particularly demand-adapted supply, in particular of heat energy, to the heat exchanger elements 5, 6 can be made possible in this way. Another possible
  • Embodiment of a flow control means 50 may be an air supply blower 56.
  • This air supply fan 56 controls the amount of air 30 taken out of an environment 101 and supplied to the fuel cell stack 1.
  • this air 30 can be supplied directly via the air supply section 10 to the first electrode 2 of the fuel cell stack 1.
  • an air valve 80 in this case this amount can be further adjusted.
  • a burner air supply 21 may be provided, which preferably branches off from the air supply section 10.
  • a direct air supply of air 30 to the exhaust gas burner 4 can be made possible in this way, in particular to prevent or reduce too high exhaust gas burner temperature.
  • An additional fourth valve 54 or a heating element 55 as a flow control means 50 in turn allow a particularly accurate setting of
  • Fuel cell stack 1 is further downstream of the second Nutzabgaszweig 16 and the Brennerabgasast 20 after re-merging of the first burner exhaust branch 18 and the second burner exhaust branch 19, a two-stage evaporator 7 is arranged.
  • the thermal energy required in the evaporator 7 can also be supplied to it controlled by a distribution system 40 according to the invention, in particular by the first valve 51, the second valve 52 and the third valve 53
  • Burner waste gas 34 in particular after the two heat exchanger elements 5, 6, and the Nutzabgases 33 in the second Nutzabgaszweig 16 can be provided in particular that heated in the first stage of the two-stage evaporator 7, the supplied water 63, is completely evaporated in the second stage. Subsequently, the evaporated water 63 is supplied to the Nutzgaszuaterabites 11. In the Nutzgaszutrabites 11 is further controlled by a
  • Nutzgasventil 81 Nutzgas 31 out, which comes either from a Nutzgastank 72 or Nutzgasquellen 73.
  • the Nutzgastank 72 in turn can be filled in particular by a fuel cell stack 1, which is operated in an electrolysis mode.
  • the operating valve 8 is opened and the useful exhaust gas 33 is fed to a condensation device 9.
  • water 63 and condensate gas 35 are separated from the useful exhaust gas 33.
  • a Condensate gas aftertreatment 70 makes it possible to purify the condensate gas 35, a condensate blower 71, which can also be operated as a compressor, makes it possible to convey and / or compress and / or liquefy the condensate gas 35.
  • a particularly good storage of the condensate gas 35 as future useful gas 31 in Nutzgastank 72 can be done in this way.
  • the water 63 separated in the condensation device 9 is supplied to a water tank 60, which can also be filled with water 63 from other sources.
  • a water pump 61 in turn supplies the water 63 to the evaporator 7, regulated and controlled by a water valve 62.
  • a particularly good and demand-adapted distribution of heat energy in the interior of the fuel cell stack 1 can be provided.
  • Fuel cell system 100 may be provided in this manner.
  • FIG. 2 shows a further possible embodiment of a fuel cell system 100 according to the invention.
  • the fuel cell system 100 according to FIG. 2 differs from the fuel cell system 100 shown in FIG. 1 in that a recirculation section 22 is provided which additionally includes the useful exhaust section 13, in particular the second Nutzabgaszweig 16, with the Nutzgaszutrabites 11 connects.
  • a reuse of Nutzabgas 33, in particular unreacted parts of Nutzgas 31 in Nutzabgas 33, can be provided in this way.
  • the heat energy stored in the useful exhaust gas 33 which is still present even after passing through the evaporator 7, can be returned to the operation of the fuel cell stack 1, whereby a further increase in efficiency can be provided. in the
  • Recirculation section 22 is provided in particular a recirculation fan 57 as flow control means 50 of a distribution system 40 according to the invention, so that a quantity of recirculated Nutzabgas 33 can be controlled and / or regulated.
  • a recirculation fan 57 as flow control means 50 of a distribution system 40 according to the invention, so that a quantity of recirculated Nutzabgas 33 can be controlled and / or regulated.
  • FIG. 3 shows schematically a distribution system 40, as in a
  • the distribution system 40 has in particular an evaluation unit 42, which is connected via signal lines 43 with sensor means 41 and with control lines 44 with flow control means 50.
  • Control lines 44 are shown in FIG. 3 as physical lines, but may also be wireless.
  • Fuel cell system 100 are arranged, a current temperature is determined at these locations.
  • the evaluation unit 42 generates a
  • the sensor means 41 can also provide information as to which heat energy is stored in the individual fluids of the fuel cell system 100. This can also be evaluated by the evaluation unit 42 and used in particular for controlling the flow control means 50, which may be designed, for example, as valves 51, 52, 53, as fan 56 or as heating element 55. Overall, by an inventive
  • Distribution system 40 thus a particularly good and needs-adapted distribution of heat energy in the fuel cell stack 1 of an inventive
  • Fuel cell system 100 can be provided.
  • a particularly efficient and, in particular, self-contained operation, preferably autonomous operation, of a fuel cell system 100 according to the invention can be provided in this way.
  • FIG. 4 shows in particular a method according to the invention, as can be carried out by a fuel cell system 100 according to the invention (not shown). The necessary for an execution of the method elements are not shown in each case.
  • the steps a) and b) are designated in Fig. 4 with A and B.
  • step a) of a method according to the invention is a
  • Temperleiters office may preferably be a local Temper michs office, in other words a locally resolved or sub-units and / or subsystems of the fuel cell system 100 associated Temper michs office.
  • a local Temper michs in other words a locally resolved or sub-units and / or subsystems of the fuel cell system 100 associated Temper michs company.
  • Step b) Method information to go available at which locations of the fuel cell system 100 is a Temper michs pad and in what amount. This is used in the next step b) to control flow control means 50, for example valves 51, 52, 53, 54, in order to control heat transfer in the fuel cell system 100 in such a way that the temperature control demand determined in step a) can be met , Also more
  • Flow control means 50 such as blowers 56, 57 or fuel elements 55 may be used in step b).
  • the process according to the invention can thus preferably all
  • Fuel cell system 100 can be provided.
  • the fuel cell system The fuel cell system

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem (100), aufweisend zumindest einen Brennstoffzellenstapel (1) mit einer ersten Elektrode (2) und einer zweiten Elektrode (3), einen Luftzuführabschnitt (10) zum Zuführen von Luft (30) zur ersten Elektrode (2), einen Nutzgaszuführabschnitt (11) zum Zuführen von Nutzgas (31) zur zweiten Elektrode (3), einen Abluftabschnitt (12) zum Abführen von Abluft (32) von der ersten Elektrode (2), einen Nutzabgasabschnitt (13) zum Abführen von Nutzabgas (33) von der zweiten Elektrode (3), wobei der Abluftabschnitt (12) und der Nutzabgasabschnitt (13) in einen Abgasbrenner (4) zum zumindest teilweisen katalytischen Verbrennen der Abluft (32) und des Nutzabgases (33) münden, sowie einen Brennerabgasabschnitt (17) mit einem ersten Brennerabgaszweig (18) und einem zweiten Brennerabgaszweig (19) zum Abführen von Brennerabgas (34) vom Abgasbrenner (4), wobei der erste Brennerabgaszweig (18) mit einem ersten Wärmetauscherelement (5) im Luftzuführabschnitt (10) zur Bereitstellung von Wärmeenergie an die Luft (30) im Luftzuführabschnitt (10) und der zweite Brennerabgaszweig (19) mit einem zweiten Wärmetauscherelement (6) im Nutzgaszuführabschnitt (11) zur Bereitstellung von Wärmeenergie an das Nutzgas (31) im Nutzgaszuführabschnitt (11) verbunden ist. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (100).

Description

Brennstoffzellensystem sowie Verfahren zum Betreiben eines
Brennstoffzellensystems
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, aufweisend zumindest einen Brennstoffzellenstapel mit einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode, einen Luftzuführabschnitt zum Zuführen von Luft zur ersten Elektrode, einen
Nutzgaszuführabschnitt zum Zuführen von Nutzgas zur zweiten Elektrode, einen Abluftabschnitt zum Abführen von Abluft von der ersten Elektrode, einen
Nutzabgasabschnitt zum Abführen von Nutzabgas von der zweiten Elektrode, wobei der Abluftabschnitt und der Nutzabgasabschnitt in einen Abgasbrenner zum zumindest teilweisen katalytischen Verbrennen der Abluft und des Nutzabgases münden, sowie einen Brennerabgasabschnitt mit einem ersten Brennerabgaszweig und einem zweiten Brennerabgaszweig zum Abführen von Brennerabgas vom
Abgasbrenner, wobei der erste Brennerabgaszweig mit einem ersten
Wärmetauscherelement im Luftzuführabschnitt zur Bereitstellung von Wärmeenergie an die Luft im Luftzuführabschnitt und der zweite Brennerabgaszweig mit einem zweiten Wärmetauscherelement im Nutzgaszuführabschnitt zur Bereitstellung von Wärmeenergie an das Nutzgas im Nutzgaszuführabschnitt verbunden ist. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Brennstoffzellensystems.
In der modernen Technik ist es bekannt, Brennstoffzellensysteme, oftmals
aufweisend einen oder mehrere Brennstoffzellenstapel mit zumeist jeweils einer Vielzahl von Brennstoffzellen, in mobilen und stationären Anwendungen einzusetzen. Derartige Brennstoffzellensysteme weisen ferner zumeist mehrere Subsystemen bzw. Untereinheiten auf. Als Untereinheiten können insbesondere der bereits genannte zumindest eine Brennstoffzellenstapel mit einer oder mehreren
Brennstoffzellen, Zuführvorrichtungen für die im Brennstoffzellenstapel benötigten Fluide, Abführvorrichtungen zum Abführen der im Brennstoffzellenstapel erzeugten Reaktionsprodukte, die zumeist ebenfalls als Fluide vorliegen, vorhanden sein.
Weitere mögliche Subsysteme können zum Beispiel einen Abgasbrenner zum zumindest teilweisen katalytischen Verbrennen von im Brennstoffzellenstapel erzeugten Reaktionsprodukten, einen Startbrenner für eine Unterstützung eines Startvorgangs des Brennstoffzellensystems oder aber auch einen Reformer zum Bereitstellen bzw. Umwandeln von im Brennstoffzellenstapel benötigten Nutzgas, umfassen. Das gesamte Brennstoffzellensystem und insbesondere dessen Subsysteme weisen verschiedene Anforderungen auf hinsichtlich einer Temperatur bzw. eines
thermischen Niveaus, das die einzelnen Untereinheiten des Brennstoffzellensystems für einen möglichst effizienten Betrieb des Brennstoffzellensystems benötigen.
Insbesondere bei Verwendung von Feststoffbrennstoffzellen (SOFC), die oftmals eine Betriebstemperatur von 600 °C bis 1000 °C aufweisen, ist ein Einhalten des beziehungsweise der erforderlichen Temperaturniveaus für einen effizienten Betrieb eines Brennstoffzellensystems nötig. Ferner kann das im Brennstoffzellensystem bereitzustellende Temperaturniveau auch dadurch beeinflusst werden, in welcher Betriebsart das Brennstoffzellensystem betrieben werden soll. So kann
beispielsweise ein Brennstoffzellensystem zur Erzeugung von elektrischer Energie unter Verbrauch von Luft und Nutzgas betrieben werden, gegenteilig dazu jedoch auch in einem Betriebsmodus, in dem das Brennstoffzellensystem unter Verbrauch von elektrischer Energie Nutzgas, wie beispielsweise Wasserstoff und/oder
Kohlenmonoxid, herstellt.
Gemäß dem Stand der Technik ist es insbesondere bekannt, zur Bereitstellung und Steuerung der jeweils nötigen Temperatur im Inneren eines Brennstoffzellensystems elektrische Heizvorrichtungen einzusetzen. Nachteilig hat sich hierbei herausgestellt, dass diese elektrischen Heizungen insbesondere elektrische Energie verbrauchen, wodurch eine Gesamteffizienz beim Betreiben eines Brennstoffzellensystems gesenkt wird. Zudem sind elektrische Heizer bzw. deren Verwendung nicht ideal, da Energie auf ein Betriebsfluid übertragen werden muss. Durch den Übertragungsweg kommt es zu relevanten Wärmeverlusten, welche eine Systemeffizienz negativ beeinflussen. Darüber hinaus stellen die elektrischen Heizvorrichtungen wiederum zumeist eigenständige Subsysteme für ein Brennstoffzellensystem dar, sodass die Anzahl der benötigten Komponenten zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems erhöht ist. Auch dies kann zu Nachteilen führen, beispielsweise hinsichtlich eines Zeit- und Kostenaufwands bei der Fertigung eines Brennstoffzellensystems. Auch eine Anfälligkeit gegenüber Verschleiß und/oder eine Notwendigkeit von
regelmäßigen Wartungen des Brennstoffzellensystems, insbesondere eine
Verkürzung von Wartungsintervallen, können durch den Einsatz von elektrischen Heizvorrichtungen begründet sein.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, der voranstehend beschriebenen
Problematik zumindest teilweise Rechnung zu tragen bzw. zumindest alternative Lösungsmöglichkeiten zu schaffen. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Brennstoffzellensystem sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems zu schaffen, die in besonders einfacher und
kostengünstiger Art und Weise ein Brennstoffzellensystem sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems dahin gehend verbessern, dass ein
Einstellen von benötigen Temperaturen beziehungsweise Temperaturniveaus im Brennstoffzellensystem, insbesondere für die einzelnen Untereinheiten des
Brennstoffzellensystems, vereinfacht werden kann, um einen Betrieb des
Brennstoffzellensystems insgesamt zu vereinfachen und eine Gesamteffizienz beim Betreiben des Brennstoffzellensystems zu steigern.
Die voranstehende Aufgabe wird durch die Patentansprüche gelöst. Insbesondere wird die voranstehende Aufgabe durch das Brennstoffzellensystem gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 sowie durch das Verfahren gemäß dem nebengeordneten Anspruch 15 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 erfindungsgemäßen
Brennstoffzellensystem beschrieben sind, selbstverständlich auch im
Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben eines
Brennstoffzellensystems und umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw.
werden kann.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch ein
Brennstoffzellensystem, aufweisend zumindest einen Brennstoffzellenstapel mit einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode, einem Luftzuführabschnitt zum
Zuführen von Luft zur ersten Elektrode, einen Nutzgaszuführabschnitt zum Zuführen von Nutzgas zur zweiten Elektrode, einen Abluftabschnitt zum Abführen von Abluft von der ersten Elektrode, einen Nutzabgasabschnitt zum Abführen von Nutzabgas von der zweiten Elektrode, wobei der Abluftabschnitt und der Nutzabgasabschnitt in einen Abgasbrenner zum zumindest teilweisen katalytischen Verbrennen der Abluft und des Nutzabgases münden, sowie einen Brennerabgasabschnitt mit einem ersten Brennerabgaszweig und einem zweiten Brennerabgaszweig zum Abführen von Brennerabgas vom Abgasbrenner, wobei der erste Brennerabgaszweig mit einem ersten Wärmetauscherelement im Luftzuführabschnitt zur Bereitstellung von
Wärmeenergie an die Luft im Luftzuführabschnitt und der zweite Brennerabgaszweig mit einem zweiten Wärmetauscherelement im Nutzgaszuführabschnitt zur
Bereitstellung von Wärmeenergie an das Nutzgas im Nutzgaszuführabschnitt verbunden ist. Ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem ist dadurch
gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem ein Verteilungssystem mit
Flusssteuerungsmitteln zumindest im Nutzabgasabschnitt und im
Brennerabgasabschnitt zum Verteilen einer im Nutzabgas und/oder im Brennerabgas gespeicherten Wärmeenergie im Brennstoffzellensystem aufweist.
Ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem weist insbesondere als Kernstück zumindest einen Brennstoffzellenstapel mit einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode auf. Die Elektroden sind bevorzugt durch einen Elektrolyten voneinander getrennt sind. Der zumindest eine Brennstoffzellenstapel selbst kann wiederum aus einer oder mehreren Brennstoffzellen bestehen, die wiederum jeweils eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode aufweist. Bevorzugt können ferner als
Brennstoffzellen Feststoffbrennstoffzellen (SOFC) in einem Brennstoffzellenstapel eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems eingesetzt sein. Die erste Elektrode ist auf einer Eingangsseite mit einem Luftzuführabschnitt und auf einer Ausgangsseite mit einem Abluftabschnitt fluidkommunizierend verbunden. Mit anderen Worten kann der ersten Elektrode über den Luftzuführabschnitt Luft, insbesondere Umgebungsluft, zugeführt werden, die bevorzugt Sauerstoff aufweist. Insbesondere dieser Sauerstoff kann in der ersten Elektrode reagieren und beispielsweise Elektronen abgeben und als geladene Ionen durch den Elektrolyten zur zweiten Elektrode diffundieren. Reaktionsprodukte und nicht verbrauchte Luft können als Abluft durch den Abluftabschnitt von der ersten Elektrode wieder weggeleitet werden. Analog dazu weist auch die zweite Elektrode eine Eingangsseite und eine Ausgangsseite auf. Die Eingangsseite der zweiten Elektrode ist mit einem Nutzgaszuführabschnitt, die Ausgangsseite mit einem Nutzabgasabschnitt verbunden. Nutzgas, beispielsweise Kohlenmonoxid, Wasserstoff, Methan oder Ähnliches, kann auf diese Weise der zweiten Elektrode zugeführt werden.
Entsprechend kann das Nutzgas daraufhin in der zweiten Elektrode reagieren, beispielsweise mit den durch den Elektrolyten diffundierten Sauerstoffionen, wobei entsprechende Reaktionsprodukte sowie nicht verbrauchtes Nutzgas durch den Nutzabgasabschnitt aus der zweiten Elektrode wieder abgeführt werden können. Insbesondere kann ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem bevorzugt sowohl zur Erzeugung von elektrischer Energie als auch zur Erzeugung von Nutzgas unter Verbrauch von elektrischer Energie eingesetzt werden. Bei einer Erzeugung elektrischer Energie bildet insbesondere die erste Elektrode eine Kathodenseite sowie die zweite Elektrode eine Anodenseite des Brennstoffzellenstapels. Umgekehrt bei einer Erzeugung von Nutzgas unter Verbrauch von elektrischer Energie bildet die erste Elektrode die Anode und die zweite Elektrode die Kathode des
Brennstoffzellenstapels.
Ein weiteres Element eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems bildet ein Abgasbrenner, in den der Abluftabschnitt und der Nutzabgasabschnitt münden. Auf diese Weise können dem Abgasbrenner die Abluft und das Nutzabgas zugeführt werden, wodurch eine zumindest teilweise katalytische Verbrennung dieser beiden Fluide möglich ist. Neben den oftmals auch Wärme erzeugenden Reaktionen im Brennstoffzellenstapel selbst stellt dieses zumindest teilweise katalytische
Verbrennen der Brennstoffanteile durch Gase und das Verbrennen der
Brennstoffanteile im Nutzabgases mit Sauerstoff eine weitere Quelle von thermischer Energie im Brennstoffzellensystem dar, wobei bereits durch diese thermische
Verwertung der Abluft und des Nutzabgases eine Gesamteffizienz beim Betrieb eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems weiter gesteigert werden kann. Ein Vorteil im Vergleich zu einer Verwendung von elektrischen Heizern ist die direkte Wärmeerzeugung im Fluid, sodass praktisch kein Übertragungsweg notwendig ist, wodurch in weiterer Folge Wärmeverluste vermieden sind.
Die Wärmeerzeugung im Brennstoffzellenstapel ist grundsätzlich von einem
Betriebsmodus desselben abhängig und kann durch Reaktionen und
Spannungsverluste im Brennstoffzellenmodus oder nur durch Spannungsverluste im Elektrolysemodus erfolgen. Im Brennstoffzellenmodus wird durch die
Spannungsverluste und die exothermen Reaktionen Wärme erzeugt, wohingegen im Elektrolysemodus Wärme überwiegend oder ausschließlich durch
Spannungsverluste erzeugt wird, da hier endotherme Reaktionen stattfinden.
Stromabwärts vom Abgasbrenner ist insbesondere vorgesehen, dass das
Brennerabgas von einem Brennerabgasabschnitt abgeführt wird, wobei sich dieser Brennerabgasabschnitt in einen ersten Brennerabgaszweig und einen zweiten Brennerabgaszweig teilt. Jeder dieser Brennerabgaszweige führt Brennerabgas zu einem Wärmetauscherelement, insbesondere einem ersten Wärmetauscherelement im Luftzuführabschnitt und einem zweiten Wärmetauscherelement im Nutzgaszuführabschnitt. Eine Bereitstellung von Wärmeenergie zum Aufheizen sowohl der Luft als auch des Nutzgases, die beide dem Brennstoffzellenstapel zugeführt werden, kann auf diese Weise ermöglicht werden. Bereits auf diese Weise kann eine generelle Wiederverwertung der erzeugten Wärmeenergie im
Abgasbrenner bereitgestellt werden.
Erfindungswesentlich weist ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem darüber hinaus ein Verteilungssystem auf. Dieses Verteilungssystem umfasst insbesondere Flusssteuerungsmittel zumindest im Nutzabgasabschnitt und im
Brennerabgasabschnitt. Derartige Flusssteuerungsmittel können insbesondere eingesetzt werden, um insbesondere eine Menge und/oder Geschwindigkeit des im jeweiligen Abschnitt fließenden Fluids einzustellen bzw. zu steuern. Durch eine Anordnung der Flusssteuerungsmittel zumindest im Nutzabgasabschnitt und im Brennerabgasabschnitt kann somit bereitgestellt werden, dass eine Menge sowohl des Nutzabgases, das durch die Reaktionen im Brennstoffzellensystem aufgeheizt ist und somit eine große Menge an gespeicherter Wärmeenergie aufweist, als auch des Brennerabgases, das ebenfalls durch die zumindest teilweise katalytische
Verbrennung der Abluft und des Nutzabgases aufgeheizt ist und eine große Menge an gespeicherter Wärmeenergie in sich trägt, gezielt einzustellen. Mit anderen Worten kann durch das Verteilungssystem eines erfindungsgemäßen
Brennstoffzellensystems eine gezielte, insbesondere bedarfsangepasste, Verteilung der bereits im Brennstoffzellensystem bzw. in den Fluiden des
Brennstoffzellensystems vorhandene Wärmeenergie bereitgestellt werden.
Ein erfindungsgemäßes Verteilungssystem ist dafür bevorzugt zum Erkennen eines Wärmeenergiebedarfs im Brennstoffzellensystem ausgebildet. Ein derartiger Bedarf an Wärmeenergie im Brennstoffzellensystem kann insbesondere durch einen Ort im Brennstoffzellensystem und eine Größe des Bedarfs gekennzeichnet sein. Auch kann durch ein erfindungsgemäßes Verteilungssystem ferner festgestellt werden, wo und wie viel Wärmeenergie im Brennstoffzellensystem, insbesondere in den Fluiden des Brennstoffzellensystems, vorhanden ist. Durch eine entsprechende Ansteuerung der Flusssteuerungsmittel des Verteilungssystems kann anschließend eine
bedarfsangepasste Verteilung der in den Fluiden des Brennstoffzellensystems gespeicherten Wärmeenergie vorgenommen werden. Über die reine Zuführung von heißen Fluiden zu Wärmetauschern hinaus kann somit durch ein erfindungsgemäßes Verteilungssystem ein bedarfsangepasstes Zuführen und damit eine noch bessere Verteilung der Wärmeenergie im Inneren eines Brennstoffzellensystems bereitgestellt werden. Eine Steigerung der Gesamteffizienz beim Betreiben eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems kann auf diese Weise erreicht werden. Insbesondere kann auch vermieden werden, dass nötige Wärmeenergie allein oder zumindest hauptsächlich durch externe Vorrichtungen, wie beispielsweise elektrische Heizvorrichtungen, bereitgestellt werden muss. Ein Aufbau eines
erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems kann dadurch vereinfacht werden.
Besonders bevorzugt kann bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem vorgesehen sein, dass das Verteilungssystem Sensormittel und eine Auswerteeinheit zum Bestimmen eines Temperierungsbedarfs des Brennstoffzellensystems aufweist. Auf diese Weise kann insbesondere eine Integration derartiger Sensormittel, beispielsweise Temperaturfühler, und einer Auswerteeinheit, beispielsweise einer Rechnereinheit, in das gesamte Verteilungssystem bereitgestellt werden. Die
Sensormittel können bevorzugt insbesondere an denjenigen Stellen des
Brennstoffzellensystems angeordnet sein, an denen entweder ein
Temperierungsbedarf erwartet wird, beispielsweise an und/oder in einem Reformer, einem Verdampfer und/oder Wärmetauscher, oder an denen Wärmeenergie erzeugt und/oder bereitgestellt wird, zum Beispiel dem Abluftabschnitt, dem
Nutzabgasabschnitt und/oder dem Abgasbrenner. Eine Umfassende Erfassung eines Temperierungsbedarfs durch Auswertung der Sensordaten der Sensormittel in der Auswerteeinheit kann auf diese Weise ermöglicht werden. Darüber hinaus kann durch die Integration auch ein besonders kompakter Aufbau eines
erfindungsgemäßen Verteilungssystems und dadurch eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems bereitgestellt werden. Ferner kann ein erfindungsgemäßes Verteilungssystem auch entsprechende Kommunikationsmittel zwischen den
Sensormitteln, den Flusssteuerungsmitteln und der Auswerteeinheit umfassen.
Kommunikationsmittel im Sinne der Erfindung können insbesondere kabelgebundene und/oder kabellose Kommunikationswege darstellen.
Auch kann ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem dadurch gekennzeichnet sein, dass die Flusssteuerungsmittel zumindest ein ansteuerbares erstes Ventil im Nutzabgasabschnitt, ein ansteuerbares zweites Ventil im ersten Brennerabgaszweig und ein ansteuerbares drittes Ventil im zweiten Brennerabgaszweig umfassen. Der Nutzabgasabschnitt und insbesondere die Brennerabgaszweige führen mit dem Nutzabgas und dem Brennerabgas Fluide bzw. Gase des Brennstoffzellensystems, die eine besonders hohe Temperatur aufweisen und damit eine besonders hohe Wärmeenergie in sich tragen. Eine bedarfsangepasste Verteilung dieser
Wärmeenergie in den Fluiden in den oben genannten Leitungsabschnitten eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems kann durch Ventile in diesen
Leitungsabschnitten besonders einfach bereitgestellt werden. So wird durch den Nutzabgasabschnitt Nutzabgas dem Abgasbrenner zugeführt. Durch das erste Ventil ist somit eine Menge dieses Nutzabgases steuerbar bzw. regelbar. Eine Steigerung der Menge des Nutzabgases führt zumeist zu einer Steigerung der
Abgasbrennertemperatur und dadurch des Brennerabgases. Gegenteilig dazu kann eine Verminderung einer Menge an Nutzabgas bei einem zumindest teilweisen Schließen des ersten Ventils zu einer Senkung der Abgasbrennertemperatur und dadurch der Temperatur des Brennerabgases führen. Das zweite und das dritte Ventil sind jeweils in einem Brennerabgaszweig angeordnet, wobei jeder dieser Brennerabgaszweige zumindest ein Wärmetauscherelement umfasst, der erste Abgaszweig hinsichtlich des Luftzuführabschnitts, der zweite Brennerabgaszweig hinsichtlich des Nutzgaszuführabschnitts. Somit kann durch ein zweites Ventil eine Menge an Brennerabgas gesteuert und/oder geregelt werden, die dem
Wärmetauscher in der Luftzuführung zugeführt wird. Analog dazu kann das dritte Ventil zur Steuerung und/oder Regelung einer Menge an Brennerabgas verwendet werden, die dem Wärmetauscher in der Nutzgaszuleitung zugeführt wird, wobei dieser Wärmetauscher auch als ein Reformer ausgebildet sein kann. Insgesamt können bereits durch die beschriebenen drei Ventile somit besonders einfach eine differenzierte Verteilung und Steuerung beziehungsweise Regelung der vorhandenen bzw. erzeugten Wärmeenergie im erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem bereitgestellt werden.
Gemäß einer Weiterentwicklung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems kann ferner vorgesehen sein, dass das zweite Ventil im ersten Brennerabgaszweig stromabwärts des ersten Wärmetauscherelements angeordnet ist und/oder dass das dritte Ventil im zweiten Brennerabgaszweig stromabwärts des zweiten
Wärmetauscherelements angeordnet ist. In diesen besonders bevorzugten
Anordnungen sind somit die Ventile jeweils stromabwärts eines
Wärmetauscherelements angeordnet, wodurch eine zumindest teilweise Abgabe von thermischer Energie aus dem im jeweiligen Brennerabgaszweig fließenden Fluid im Wärmetauscherelement bereits erfolgt ist. Mit anderen Worten ist das im jeweiligen Brennerabgaszweig fließende Fluid wenigstens teilweise bereits abgekühlt, wodurch eine Anforderung an das zweite Ventil und/oder dritte Ventil hinsichtlich einer Temperaturbeständigkeit verringert werden kann. Ein Einsatz von einfacheren und damit zumeist kostengünstigeren Ventilen kann auf diese Weise bereitgestellt werden.
Auch kann ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem dahin gehend
ausgebildet sein, dass das Brennstoffzellensystem eine insbesondere vom
Luftzuführabschnitt abzweigende Brennerluftzufuhr aufweist, wobei die
Brennerluftzufuhr in den Abgasbrenner mündet. Auf diese Weise kann insbesondere ermöglicht werden, dem Abgasbrenner neben der Abluft des Brennstoffzellenstapels auch direkt Frischluft zuzuführen. Durch dieses zusätzliche Zuführen von Luft, die zumeist eine niedrigere Temperatur als die Abluft und/oder das Nutzabgas aufweist, kann eine Brenntemperatur des Abgasbrenners verändert, insbesondere gesenkt werden. Insbesondere können auf diese Weise zu hohe Temperaturen im
Abgasbrenner, die schlimmstenfalls zu einer Beschädigung des Abgasbrenners führen können, vermieden werden. Ein noch effizienteres Betreiben des
Abgasbrenners kann auf diese Weise bereitgestellt werden, wodurch insgesamt auch eine Gesamteffizienz des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems gesteigert werden kann.
Gemäß einer bevorzugten Weiterentwicklung eines erfindungsgemäßen
Brennstoffzellensystems kann ferner vorgesehen sein, dass die
Flusssteuerungsmittel ein viertes Ventil zum Einstellen einer Menge der in der Brennerluftzufuhr geförderten Luft und/oder ein Heizelement in der Brennerluftzufuhr zum Erwärmen der in der Brennerluftzufuhr geförderten Luft umfassen. Durch ein derartiges viertes Ventil kann insbesondere eine Menge der zusätzlich zum
Abgasbrenner zugeführten Luft eingestellt werden. Ein Heizelement wiederum ermöglicht eine Steuerung bzw. Regelung einer Temperatur, die die dem
Abgasbrenner zugeführte zusätzliche Luft aufweist. Eine Steuerung bzw. Regelung eines Einstellens einer Abgasbrennertemperatur und dadurch die Temperatur beziehungsweise der Wärmeenergieinhalt des Brennerabgases kann auf diese Weise nochmals verbessert werden. Eine noch bessere und bedarfsangepasste Verteilung der Wärmeenergie im Brennstoffzellensystem kann auf diese Weise ermöglicht werden. Ferner kann bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem vorgesehen sein, dass die Flusssteuerungsmittel ein Luftzuführgebläse im Luftzuführabschnitt zum Einstellen einer Menge der im Luftzuführabschnitt geförderten Luft umfassen. Durch ein derartiges Luftzuführgebläse kann somit insbesondere eine Menge an
zugeführter Luft, sowohl zum Brennstoffzellenstapel als auch, wenn vorhanden, über eine Brennerluftzufuhr zum Abgasbrenner eingestellt werden. Wie oben bereits beschrieben, kann durch diese Luftzufuhr zumindest indirekt eine Temperatur sowohl im Brennstoffzellenstapel als auch gegebenenfalls im Abgasbrenner, gesteuert werden. Auch eine Steuerung und/oder Regelung einer Reaktionsrate im
Brennstoffzellenstapel über eine gesteuerte Veränderung der Menge der durch die Luftzuführung der ersten Elektrode zugeführten Luft ist möglich. Zumindest indirekt kann somit durch ein als Luftzuführgebläse ausgebildetes Flusssteuerungsmittel eine Verteilung von Wärmeenergie im erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem bereitgestellt werden, insbesondere durch eine Steuerung und/oder Regelung einer im Brennstoffzellensystem erzeugten Wärmeenergie.
Bevorzugt kann bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem ferner vorgesehen sein, dass das Brennstoffzellensystem einen Verdampfer zum
Bereitstellen von Wasserdampf zum Einleiten in den Nutzgaszuführabschnitt aufweist, wobei der Verdampfer zum Übertragen einer im Nutzabgas und/oder im Brennerabgas gespeicherten Wärmeenergie stromabwärts am Nutzabgasabschnitt und/oder stromabwärts am ersten Brennerabgaszweig und/oder stromabwärts am zweiten Brennerabgaszweig angeordnet ist. Ein derartiger Verdampfer stellt einen möglichen Verbraucher von im Brennstoffzellenstapel vorhandener Wärmeenergie dar, wodurch eine Miteinbeziehung eines derartigen Verdampfers in ein
erfindungsgemäßes Verteilungssystem vorteilhaft ist. Auf diese Weise kann insbesondere bereitgestellt werden, dass bereits im Brennstoffzellensystem
vorhandene Wärmeenergie zum Verdampfen von Fluid, bevorzugt zum Beispiel Wasser, im Verdampfer verwendet werden kann, wodurch eine weitere Steigerung einer Gesamteffizienz beim Betreiben eines erfindungsgemäßen
Brennstoffzellensystems ermöglicht werden kann. Dies kann insbesondere dadurch bereitgestellt werden, dass der Verdampfer zum Übertragen von Wärmeenergie im jeweiligen Fluid stromabwärts am Nutzabgasabschnitt und/oder zumindest einem der Brennerabgaszweige angeordnet ist. Wie oben bereits beschrieben, stellen der Nutzabgasabschnitt und die Brennerabgaszweige diejenigen Leitungsabschnitte dar, in denen Fluide mit den höchsten Temperaturen und damit der höchsten gespeicherten Wärmeenergie geführt sind, insbesondere Nutzabgas
beziehungsweise Brennerabgas. Ein besonders gutes und effizientes Verdampfen von beispielsweise Wasser zu Wasserdampf im Verdampfer, insbesondere bevorzugt ohne zusätzliche, extern bereitgestellte, Energie, kann auf diese Weise bereitgestellt werden.
Besonders bevorzugt kann ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem dahin gehend weiterentwickelt sein, dass der Verdampfer als ein zweistufiger Verdampfer ausgebildet ist. Zweistufig im Sinne der Erfindung bedeutet insbesondere, dass im Verdampfer zwei Stufen mit jeweils einem von einem Heizmedium durchströmten Wärmetauscher vorhanden sind, wobei bevorzugt eine erste Stufe bereits zum teilweise Verdampfen des Fluids ausgebildet ist und mit einer zweiten Stufe eine vollständige Verdampfung erreichbar ist oder erreicht wird. Ein Übergang von der ersten Stufe zur zweiten Stufe erfolgt mit Vorteil zweiphasig bzw. als zweiphasiges Gemisch. Die zweite Stufe ist hinsichtlich einer Fließrichtung des zu verdampfenden Fluids im Verdampfer stromabwärts der ersten Stufe angeordnet. Das zu
verdampfende Fluid wird also in beiden Stufen verdampft, wobei dieses in der ersten Stufe bevorzugt nur teilweise verdampft und in der zweiten Stufe auch überhitzt wird. Grundsätzlich kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die erste Stufe lediglich zum Aufheizen des zu verdampfenden Fluids des Verdampfers und die zweite Stufe, die hinsichtlich einer Fließrichtung des zu verdampfenden Fluids im Verdampfer stromabwärts der ersten Stufe angeordnet ist, zum eigentlichen Verdampfen verwendet wird.
Eine zweistufige Ausführungsform eines Verdampfers ist insbesondere in
Betriebssituationen eines Brennstoffzellensystems von Vorteil, wenn keines der beiden verwendeten Heizmedien in den zwei Stufen des Verdampfers alleine ausreichen würde, beispielsweise bezüglich einer in den Heizmedien gespeicherten Wärmeenergie, um eine Verdampfung des zu verdampfenden Fluids, insbesondere Wasser, vorzunehmen und insbesondere ferner beispielsweise auch ein
Zusammenführen der bevorzugt unterschiedlichen Heizmedien nicht möglich ist. Ferner kann durch einen derartigen zweistufigen Verdampfer auch eine Steuerungs- bzw. Regelmöglichkeit beim Betreiben eines derartigen Verdampfers erweitert werden. Gemäß einer bevorzugten Weiterentwicklung einer Ausgestaltungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems kann ferner vorgesehen sein, dass der erste Brennerabgaszweig stromabwärts vom ersten Wärmetauscherelement und der zweite Brennerabgaszweig stromabwärts vom zweiten Wärmetauscherelement in einem gemeinsamen Brennerabgasast zusammengeführt sind, dass der
Nutzabgasabschnitt einen ersten Nutzabgaszweig und einen zweiten
Nutzabgaszweig aufweist und sich in einer Verzweigstelle in den ersten
Nutzabgaszweig und den zweiten Nutzabgaszweig teilt, wobei der erste
Nutzabgaszweig in den Abgasbrenner mündet und insbesondere das erste Ventil umfasst, und wobei der Verdampfer am Brennerabgasast und am zweiten
Nutzabgaszweig angeordnet ist. In dieser besonders bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems kann somit dem Verdampfer das kombinierte Brennerabgas aus dem ersten Brennerabgaszweig und dem zweiten Brennerabgaszweig, zusammengeführt im Brennerabgasast, zugeführt werden. Gleichzeitig teilt sich der Nutzabgasabschnitt in einen ersten Nutzabgaszweig und einen zweiten Nutzabgaszweig, wobei insbesondere der zweite Nutzabgaszweig direkt dem Verdampfer zugeführt ist. Bevorzugt können insbesondere, da das Brennerabgas nach dem Durchströmen der beiden Wärmetauscherelemente bereits zumindest einen Teil seiner Wärmeenergie abgegeben hat, das kombinierte
Brennerabgas zum Aufwärmen und, da der Verdampfer bevorzugt als zweistufiger Verdampfer ausgebildet ist, im Anschluss daran das Nutzabgas des zweiten
Nutzabgaszweigs zum vollständigen Verdampfen des bereits zumindest teilweise gasförmigen Fluids im Verdampfer verwendet werden. Eine besonders effiziente Nutzung der gesamten vorhandenen Wärmeenergie in den Fluiden, insbesondere im Brennerabgas und im Nutzabgas, eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel kann auf diese Weise bereitgestellt werden.
Auch kann ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem dahin gehend
ausgebildet sein, dass das Brennstoffzellensystem einen Rezirkulationsabschnitt zum Einspeisen von Nutzabgas in das Nutzgas aufweist, wobei der
Rezirkulationsabschnitt den Nutzabgasabschnitt, insbesondere den zweiten
Nutzabgaszweig, mit dem Nutzgaszuführabschnitt verbindet. Durch einen derartigen Rezirkulationsabschnitt kann somit bereitgestellt werden, dass nicht verbrauchtes Nutzgas, das sich im Nutzabgas befindet, wiederverwertet werden kann. Auch ein Erhalt von thermischer Energie, die im Nutzabgas gespeichert ist, kann auf diese Weise im Brennstoffzellensystem bereitgestellt werden. Eine Gesamteffizienz beim Betreiben eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems, sowohl hinsichtlich eines Verbrauchs an Nutzgas als auch hinsichtlich einer thermischen
Effizienzbetrachtung, kann auf diese Weise bereitgestellt werden.
Auch kann ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem dahin gehend
weiterentwickelt sein, dass die Flusssteuerungsmittel ein Rezirkulationsgebläse im Rezirkulationsabschnitt zum Einstellen einer Menge des im Rezirkulationsabschnitt geförderten Nutzabgases umfassen. Durch ein derartiges Rezirkulationsgebläse kann insbesondere eine Steuerung bzw. Regelung einer Menge des rezirkulierten Nutzabgases bereitgestellt werden. Zumindest indirekt kann auf diese Weise eine Steuerung bzw. Regelung einer Wärmerückführung durch eine Einleitung des
Nutzabgases in den Nutzgaszuführabschnitt ermöglicht werden.
Ferner kann bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem vorgesehen sein, dass im Nutzabgasabschnitt, insbesondere im zweiten Nutzabgaszweig
stromabwärts vom Verdampfer, eine Kondensationsvorrichtung angeordnet ist zum Abscheiden von Wasser und/oder Nutzgas aus dem Nutzabgas. Auf diese Weise kann somit mit anderen Worten Wasser und/oder Nutzgas aus dem Nutzabgas gewonnen werden. Derartig wiedergewonnenes Wasser bzw. Nutzgas kann einer Speicherung und/oder einer weiteren Verwendung im erfindungsgemäßen
Brennstoffzellensystem zugeführt werden. Auch dies ermöglicht eine Steigerung einer Gesamteffizienz beim Betreiben eines erfindungsgemäßen
Brennstoffzellensystems.
Besonders bevorzugt kann ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem dahin gehend weiterentwickelt sein, dass das Brennstoffzellensystem stromaufwärts von der Kondensationsvorrichtung ein Betriebsventil aufweist, wobei das
Brennstoffzellensystem bei geschlossenem Betriebsventil zur Erzeugung von elektrischer Energie und bei geöffnetem Betriebsventil zur Erzeugung von Nutzgas ausgebildet ist. Mit anderen Worten kann durch ein derartiges Betriebsventil, das insbesondere im Nutzabgasabschnitt, bevorzugt im zweiten Nutzabgaszweig, angeordnet ist und eine Zuleitung von Nutzabgas zur Kondensationsvorrichtung steuert bzw. regelt, ein Betrieb des Brennstoffzellensystems zur Stromgewinnung bzw. zur Elektrolyse eingestellt werden. Bei einem geöffneten Betriebsventil wird somit das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem elektrische Energie
verbrauchen, um Wasser und/oder Nutzgas, beispielsweise eines mit Wasserstoff und/oder Kohlenmonoxid angereichertes Gasgemisch, zu erzeugen. Bei geschlossenem Betriebsventil jedoch werden Nutzgas und Luft eingesetzt, um im erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem elektrische Energie zu erzeugen.
Einsatzmöglichkeiten für ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem können auf diese Weise vielfältig bereitgestellt werden.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung. Ein erfindungsgemäßes Verfahren ist durch folgende Schritte gekennzeichnet: a) Ermitteln eines Temperierungsbedarfs des Brennstoffzellensystems, b) Ansteuern der Flusssteuerungsmittel zum Verteilen einer im Nutzabgas
und/oder im Brennerabgas gespeicherten Wärmeenergie im
Brennstoffzellensystem, basierend auf dem in Schritt a) ermittelten
Temperierungsbedarf des Brennstoffzellensystems.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung wird durch ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung ausgeführt. Sämtliche Vorteile, die ausführlich in Bezug auf ein
erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung beschrieben worden sind, können somit auch durch ein erfindungsgemäßes
Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems bereitgestellt werden, das durch ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung ausgeführt wird.
In einem ersten Schritt a) eines erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein
Temperierungsbedarf des Brennstoffzellensystems ermittelt. Mit anderen Worten steht nach Ausführung des Schritts a) eines erfindungsgemäßen Verfahrens eine Information dahin gehend zur Verfügung, welche Temperaturniveaus im Inneren des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems vorherrschen sollten, um einen möglichst effizienten Betrieb des Brennstoffzellensystems zu ermöglichen.
Gleichzeitig sind auch diejenigen Informationen vorhanden, welche Abweichungen von diesen einzustellenden Temperaturniveaus vorherrschen. Darüber hinaus kann in diesem Schritt a) eines erfindungsgemäßen Verfahrens auch ermittelt werden, welche Mengen an Wärmeenergie in den Fluiden des Brennstoffzellensystems gespeichert sind, beispielsweise durch eine Temperaturmessung zum Beispiel an der Abluft, dem Nutzabgas und/oder dem Brennerabgas.
Dies wird im zweiten Schritt b) eines erfindungsgemäßen Verfahrens genutzt, um Flusssteuerungsmittel anzusteuern zum Verteilen einer im Nutzabgas und/oder Brennerabgas gespeicherten Wärmeenergie im Brennstoffzellensystem. Da dieses Ansteuern und Verteilen der Wärmeenergie, insbesondere basierend auf den im Schritt a) ermittelten Temperierungsbedarf durchgeführt wird, stellen sich somit nach Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens bevorzugt derartige
Temperaturniveaus im Brennstoffzellensystem ein, die einen möglichst effizienten Betrieb eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ermöglichen.
Um dies dauerhaft sicherzustellen, kann insbesondere vorgesehen sein,
insbesondere den Schritt a) und bevorzugt auch den Schritt b) eines
erfindungsgemäßen Verfahrens kontinuierlich oder zumindest im Wesentlichen kontinuierlich auszuführen.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren kann dahin gehend weiterentwickelt sein, dass in Schritt a) zumindest ein lokaler Temperierungsbedarf des Brennstoffzellensystems ermittelt wird. Lokal im Sinne der Erfindung kann insbesondere örtlich
aufgeschlüsselt, beispielsweise bezüglich der einzelnen Untereinheiten und/oder Subsystemen des Brennstoffzellensystems, bedeuten. Ein besonders
bedarfsangepasster Temperierungsbedarf des Brennstoffzellensystems kann auf diese Weise ermittelt werden.
Ferner kann ein erfindungsgemäßes Verfahren dahin gehend ausgebildet sein, dass in Schritt b) als Flusssteuerungsmittel Ventile zum Steuern eines Wärmetransports im Brennstoffzellensystem geschaltet werden, insbesondere um einen in Schritt a) ermittelten lokalen Temperierungsbedarf zu erfüllen. Ventile sind insbesondere besonders bevorzugte Flusssteuerungsmittel, da diese mechanisch einfach aufgebaut sind und dennoch schnell und effektiv zum Steuern und/oder Regeln insbesondere einer Menge an gefördertem Fluid, das jeweils Wärmeenergie in sich trägt, ausgebildet sind. Weitere mögliche Flusssteuerungsmittel können
beispielsweise Fördereinheiten, wie zum Beispiel Gebläse, oder Heizelemente darstellen. Insgesamt können durch die Flusssteuerungsmittel, die bevorzugt als Ventile ausgebildet sein können, eine besonders gute und insbesondere bedarfsangepasste Verteilung von Wärmeenergie, die in den Fluiden des Brennstoffzellensystems gespeichert sind, bereitgestellt werden.
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 und 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. Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den Figuren 1 bis 4 jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
Es zeigen jeweils schematisch:
Figur 1 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Brennstoffzellensystems,
Figur 2 eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Brennstoffzellensystems,
Figur 3 ein Verteilungssystem, und
Figur 4 ein erfindungsgemäßes Verfahren.
Fig. 1 zeigt eine mögliche Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Brennstoffzellensystems 100. Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem 100 weist insbesondere ein Verteilungssystem 40 auf, wodurch ein besonders effizienter Betrieb des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 100 ermöglicht werden kann. Dies wird im Folgenden anhand der gezeigten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 100 beschrieben.
Ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem 100 weist insbesondere einen Brennstoffzellenstapel 1 auf, der beispielsweise aus mehreren Brennstoffzellen, bevorzugt Feststoffbrennstoffzellen (SOFC), aufgebaut sein kann. Insbesondere weist der Brennstoffzellenstapel 1 eine erste Elektrode 2 und eine zweite Elektrode 3 auf. Die erste Elektrode 2 ist insbesondere mit einem Luftzuführabschnitt 10 verbunden, wodurch Luft 30, beispielsweise entnommen einer Umgebung 101 des Brennstoffzellensystems 100, der ersten Elektrode 2 zugeführt werden kann. Analog weist das Brennstoffzellensystem 100 einen Nutzgaszuführabschnitt 11 auf, durch den Nutzgas 31 , beispielsweise Wasserstoff, Kohlenmonoxid, Methan oder
Ähnliches, der zweiten Elektrode 3 zugeführt werden kann. Im Brennstoffzellenstapel 1 , insbesondere in den Elektroden 2, 3, die im Brennstoffzellenstapel 1 durch einen Elektrolyten getrennt sind, können die Luft 30 und das Nutzgas 31 miteinander reagieren, zum Beispiel durch ein Diffundieren von Sauerstoffionen durch den Elektrolyten, um beispielsweise elektrische Energie zu erzeugen. Diese elektrische Energie kann beispielsweise an eine elektrische Anbindung 102 abgegeben werden. Umgekehrt kann auch elektrische Energie der elektrischen Anbindung 102
entnommen werden, um aus Luft 30 und Nutzgas 31 , beispielsweise Wasserdampf und/oder Kohlendioxid, weiteres bzw. anderes Nutzgas 31 , zum Beispiel ein mit Wasserstoff und/oder Kohlenmonoxid angereichertes Gasgemisch, zu erzeugen. Nach den Reaktionen im Brennstoffzellenstapel 1 müssen die entsprechenden Gase wieder abgeleitet werden, wofür am Brennstoffzellenstapel 1 ein Abluftabschnitt 12 zum Abführen einer Abluft 32 sowie ein Nutzabgasabschnitt 13 zum Abführen eines Nutzabgases 33 vorgesehen sind. Sowohl die Abluft 32 als auch insbesondere das Nutzabgas 33 sind durch die Reaktionen im Brennstoffzellenstapel 1 aufgeheizt. Grundsätzlich ist dies jedoch von einem Betriebspunkt abhängig.
Der Nutzabgasabschnitt 13 der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform eines
erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels 1 teilt sich in einer Verzweigstelle 14 in einen ersten Nutzabgaszweig 15 und einen zweiten Nutzabgaszweig 16. Der erste Nutzabgaszweig 15 wird einem Abgasbrenner 4 zugeführt, in den auch der
Abluftabschnitt 12 mündet. Ein zumindest teilweises katalytisches Verbrennen der Abluft 32 mit dem Nutzabgas 33 im Abgasbrenner 4 kann dadurch bereitgestellt werden. Das entstehende Brennerabgas 34 weist insbesondere ebenfalls eine besonders hohe Temperatur auf. Hohe Temperaturen bedeuten jedoch gleichzeitig eine große Menge an in den Fluiden gespeicherter Wärmeenergie. Um insbesondere die Wärmeenergie des Brennerabgases 34 besonders effektiv zu nutzen, teilt sich der Brennerabgasabschnitt 17 in einen ersten Brennerabgaszweig 18 und einen zweiten Brennerabgaszweig 19. Der erste Brennerabgaszweig 18 umfasst
insbesondere ein erstes Wärmetauscherelement 5 im Luftzuführabschnitt 10, durch das eine Abgabe der Wärmeenergie an die Luft 30, die im Luftzuführabschnitt 10 geführt ist, ermöglicht wird. Entsprechend umfasst der zweite Abgasbrennerzweig 19 ein zweites Wärmetauscherelement 6, das am Nutzgaszuführabschnitt 11
angeordnet ist. Dieses zweite Wärmetauscherelement 6 kann beispielsweise auch als ein Reformer ausgebildet sein. Eine Abgabe von Wärmeenergie direkt an das Nutzgas 31 bzw. eine Unterstützung einer Reformierung des Nutzgases 31 kann auf diese Weise bereitgestellt werden.
Erfindungswesentlich weist nun, wie oben bereits beschrieben, ein
erfindungsgemäßer Brennstoffzellenstapel 1 ein Verteilungssystem 40 auf. Dieses Verteilungssystem 40 umfasst insbesondere Flusssteuerungsmittel 50, durch die ein Fluss bzw. eine Menge an strömenden Fluiden in den einzelnen Leitungsabschnitten 10, 13, 15, 16 ,17, 18, 19, 20, 21 des erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels 1 möglich ist, wodurch folglich auch eine Steuerung bzw. Regelung der durch die jeweiligen Fluide bereitgestellten Wärmeenergie ermöglicht werden kann. Um einen Temperierungsbedarf, insbesondere einen lokalen Temperierungsbedarf, des Brennstoffzellenstapels 1 zu ermitteln, weist das Verteilungssystem 40 ferner Sensormittel 41 auf, durch die hier beispielhaft an vier Stellen, eine Temperatur im Brennstoffzellenstapel 1 ermittelt werden kann. Durch eine Auswerteeinheit 42 können diese Temperaturmessungen ausgewertet und insbesondere mit Sollwerten verglichen werden. Ein Ermitteln eines Temperierungsbedarfs sowie eine Information darüber, welche Mengen an gespeicherter Wärmeenergie in den Fluiden des
Brennstoffzellensystems, insbesondere dem Nutzabgas 33 und dem Brennerabgas 34, gespeichert sind, kann auf diese Weise bereitgestellt werden. Die zur
Signalübertragung nötigen Signalleitungen 43 sind in Fig. 1 nicht dargestellt. Diese Signalleitungen 43 können kabelgebunden, aber auch kabellos ausgebildet sein.
Eine Ansteuerung der Flusssteuerungsmittel 50 erfolgt zumeist über Steuerleitungen 44, die ebenfalls in Fig. 1 nicht dargestellt sind. Auch diese Steuerleitungen 44 können wiederum kabelgebunden oder kabellos ausgebildet sein. Besonders bevorzugt können als Flusssteuerungsmittel 50 ein erstes Ventil 51 im ersten
Nutzabgaszweig 15, ein zweites Ventil 52 im ersten Brennerabgaszweig 18 sowie ein drittes Ventil 53 im zweiten Brennerabgaszweig 19 eingesetzt werden. Durch das erste Ventil 51 kann insbesondere eine Menge an Nutzabgas 33 eingestellt werden, die dem Abgasbrenner 4 zugeführt wird. Ein besonders einfaches Einstellen einer Brenntemperatur im Abgasbrenner 4 und damit eine Ausgangstemperatur des Brennerabgases 34 kann auf diese Weise bereitgestellt werden. Das zweite Ventil 52 und dritte Ventil 53 wiederum ermöglichen ein Einstellen einer Menge an
Brennerabgas 34, welches dem ersten Wärmetauscherelement 5 bzw. dem zweiten Wärmetauscherelement 6 zugeführt wird. Eine besonders bedarfsangepasste Zuführung, insbesondere auch von Wärmeenergie, an die Wärmetauscherelemente 5, 6 kann auf diese Weise ermöglicht werden. Eine weitere mögliche
Ausführungsform eines Flusssteuerungsmittels 50 kann ein Luftzuführgebläse 56 darstellen. Dieses Luftzuführgebläse 56 steuert die Menge an Luft 30, die aus einer Umgebung 101 entnommen und dem Brennstoffzellenstapel 1 zugeführt wird.
Dargestellt kann beispielsweise diese Luft 30 direkt über den Luftzuführabschnitt 10 der ersten Elektrode 2 des Brennstoffzellenstapels 1 zugeführt werden. Durch ein Luftventil 80 kann hierbei diese Menge weiter eingestellt werden. Ferner kann, wie ebenfalls dargestellt, eine Brennerluftzufuhr 21 vorgesehen sein, die bevorzugt von dem Luftzuführabschnitt 10 abzweigt. Eine direkte Luftzuführung von Luft 30 zum Abgasbrenner 4 kann auf diese Weise ermöglicht werden, insbesondere um eine zu hohe Abgasbrennertemperatur zu verhindern beziehungsweise zu senken. Ein zusätzliches viertes Ventil 54 bzw. ein Heizelement 55 als Flusssteuerungsmittel 50 ermöglichen wiederum ein besonders genaues Einstellen der
Abgasbrennertemperatur, wobei auch das Luftzuführgebläse 56 an dieser Steuerung Anteil hat.
In der dargestellten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Brennstoffzellenstapels 1 ist ferner stromabwärts am zweiten Nutzabgaszweig 16 sowie am Brennerabgasast 20 nach der erneuten Zusammenführung des ersten Brennerabgaszweigs 18 und des zweiten Brennerabgaszweigs 19 ein zweistufiger Verdampfer 7 angeordnet. Auch die im Verdampfer 7 nötige thermische Energie kann diesem durch ein erfindungsgemäßes Verteilungssystem 40 gesteuert und geregelt zugeführt werden, insbesondere durch das erste Ventil 51 , das zweite Ventil 52 und das dritte Ventil 53. Durch verschiedene Temperaturniveaus des
Brennerabgases 34, insbesondere nach den beiden Wärmetauscherelementen 5, 6, und des Nutzabgases 33 im zweiten Nutzabgaszweig 16 kann insbesondere bereitgestellt werden, dass in der ersten Stufe des zweistufigen Verdampfers 7 das zugeführte Wasser 63 erwärmt, in der zweiten Stufe vollständig verdampft wird. Im Anschluss wird das verdampfte Wasser 63 dem Nutzgaszuführabschnitt 11 zugeführt. Im Nutzgaszuführabschnitt 11 wird ferner, gesteuert über ein
Nutzgasventil 81 , Nutzgas 31 geführt, das entweder aus einem Nutzgastank 72 oder aus Nutzgasquellen 73 kommt. Der Nutzgastank 72 wiederum kann insbesondere durch einen Brennstoffzellenstapel 1 gefüllt werden, der in einem Elektrolysemodus betrieben wird. Dafür wird das Betriebsventil 8 geöffnet und das Nutzabgas 33 einer Kondensationsvorrichtung 9 zugeführt. In dieser Kondensationsvorrichtung 9 wird Wasser 63 und Kondensatgas 35 aus dem Nutzabgas 33 abgeschieden. Eine Kondensatgasnachbehandlung 70 ermöglicht eine Reinigung des Kondensatgases 35, ein Kondensatgebläse 71 , das auch als Kompressor betrieben werden kann, ermöglicht ein Fördern und/oder Verdichten und/oder bis hin zum Verflüssigen des Kondensatgases 35. Ein besonders gutes Lagern des Kondensatgases 35 als zukünftiges Nutzgas 31 im Nutzgastank 72 kann auf diese Weise erfolgen. Das in der Kondensationsvorrichtung 9 abgeschiedene Wasser 63 wird einem Wassertank 60 zugeführt, der auch aus anderen Quellen mit Wasser 63 befüllt werden kann. Eine Wasserpumpe 61 wiederum liefert dann das Wasser 63 an den Verdampfer 7, geregelt und gesteuert über ein Wasserventil 62.
Insgesamt kann somit bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel 1 , der ein Verteilungssystem 40 aufweist, eine besonders gute und bedarfsangepasste Verteilung von Wärmeenergie im Inneren des Brennstoffzellenstapels 1 bereitgestellt werden. Ein besonders effizienter Betrieb eines erfindungsgemäßen
Brennstoffzellensystems 100 kann auf diese Weise bereitgestellt werden.
Fig. 2 zeigt eine weitere mögliche Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 100. Das Brennstoffzellensystem 100 gemäß Fig. 2 unterscheidet sich vom Brennstoffzellensystem 100, das in Fig. 1 gezeigt wurde, dadurch, dass ein Rezirkulationsabschnitt 22 vorgesehen ist, der zusätzlich den Nutzabgasabschnitt 13, insbesondere den zweiten Nutzabgaszweig 16, mit dem Nutzgaszuführabschnitt 11 verbindet. Eine Wiederverwendung von Nutzabgas 33, insbesondere nicht reagierten Teilen von Nutzgas 31 im Nutzabgas 33, kann auf diese Weise bereitgestellt werden. Darüber hinaus kann die im Nutzabgas 33 gespeicherte Wärmeenergie, die auch nach Durchlaufen des Verdampfers 7 noch vorhanden ist, wieder dem Betrieb des Brennstoffzellenstapels 1 zugeführt werden, wodurch eine erneute Effizienzsteigerung bereitgestellt werden kann. Im
Rezirkulationsabschnitt 22 ist insbesondere auch ein Rezirkulationsgebläse 57 als Flusssteuerungsmittel 50 eines erfindungsgemäßen Verteilungssystems 40 vorgesehen, sodass eine Menge an rezirkuliertem Nutzabgas 33 gesteuert und/oder geregelt werden kann. Bezüglich Sämtlicher weiterer Komponenten des abgebildeten Brennstoffzellensystems 100 wird auf die ausführliche Beschreibung hinsichtlich Fig. 1 verwiesen.
Fig. 3 zeigt schematisch ein Verteilungssystem 40, wie es in einem
erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem 100 (nicht mit abgebildet) eingesetzt werden kann. Das Verteilungssystem 40 weist insbesondere eine Auswerteeinheit 42 auf, die über Signalleitungen 43 mit Sensormitteln 41 sowie mit Steuerleitungen 44 mit Flusssteuerungsmitteln 50 verbunden ist. Die Signalleitungen 43 und
Steuerleitungen 44 sind in Fig. 3 als physikalische Leitungen dargestellt, können aber auch kabellos ausgebildet sein. Durch die Sensormittel 41 , die an
entsprechenden Orten im Brennstoffzellenstapel 1 (nicht mit abgebildet) des
Brennstoffzellensystems 100 angeordnet sind, wird eine aktuelle Temperatur an diesen Stellen ermittelt. Die Auswerteeinheit 42 erzeugt daraus einen
Temperierungsbedarf, beispielsweise durch einen Vergleich mit Sollwerten.
Gleichzeitig können die Sensormittel 41 auch eine Information dahin gehend liefern, welche Wärmeenergie in den einzelnen Fluiden des Brennstoffzellensystems 100 gespeichert ist. Auch dies kann durch die Auswerteeinheit 42 ausgewertet und insbesondere für eine Ansteuerung der Flusssteuerungsmittel 50, die beispielsweise als Ventile 51 , 52, 53, als Gebläse 56 oder als Heizelement 55 ausgebildet sein können, verwendet werden. Insgesamt kann durch ein erfindungsgemäßes
Verteilungssystem 40 somit eine besonders gute und bedarfsangepasste Verteilung von Wärmeenergie im Brennstoffzellenstapel 1 eines erfindungsgemäßen
Brennstoffzellensystems 100 bereitgestellt werden. Ein besonders effizienter und insbesondere in sich geschlossener Betrieb, bevorzugt autarker Betrieb, eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 100 kann auf diese Weise bereitgestellt werden.
Fig. 4 zeigt insbesondere ein erfindungsgemäßes Verfahren, wie es durch ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem 100 (nicht mit abgebildet) ausgeführt werden kann. Die für eine Ausführung des Verfahrens notwendigen Elemente sind jeweils nicht mit abgebildet. Die Schritte a) und b) sind in Fig. 4 mit A und B bezeichnet.
Im ersten Schritt a) eines erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein
Temperierungsbedarf des Brennstoffzellensystems 100 ermittelt. Dieser
Temperierungsbedarf kann bevorzugt ein lokaler Temperierungsbedarf, mit anderen Worten ein örtlich aufgelöster bzw. Untereinheiten und/oder Subsystemen des Brennstoffzellensystems 100 zugeordneter Temperierungsbedarf sein. Mit anderen Worten steht nach Durchführung des Schritts a) eines erfindungsgemäßen
Verfahrens eine Information dahin gehend zur Verfügung, an welchen Orten des Brennstoffzellensystems 100 ein Temperierungsbedarf besteht und in welcher Höhe. Dies wird im nächsten Schritt b) verwendet, um Flusssteuerungsmittel 50, beispielsweise Ventile 51 , 52, 53, 54 anzusteuern, um einen Wärmetransport im Brennstoffzellensystem 100 dahin gehend zu steuern bzw. zu regeln, dass der in Schritt a) ermittelte Temperierungsbedarf erfüllt werden kann. Auch weitere
Flusssteuerungsmittel 50, wie beispielsweise Gebläse 56, 57 oder Fleizelemente 55 können im Schritt b) eingesetzt werden. Nach Durchführung eines
erfindungsgemäßen Verfahrens können bevorzugt somit sämtliche
Temperierungsbedarfe im Brennstoffzellensystem 100 befriedigt, und damit ein besonders effizienter Gesamtbetrieb eines erfindungsgemäßen
Brennstoffzellensystems 100 bereitgestellt werden.
Bezugszeichenliste
1 Brennstoffzellenstapel
2 erste Elektrode
3 zweite Elektrode
4 Abgasbrenner
5 erstes Wärmetauscherelement
6 zweites Wärmetauscherelement
7 Verdampfer
8 Betriebsventil
9 Kondensationsvorrichtung
10 Luftzuführabschnitt
11 Nutzgaszuführabschnitt
12 Abluftabschnitt
13 Nutzabgasabschnitt
14 Verzweigstelle
15 erster Nutzabgaszweig
16 zweiter Nutzabgaszweig
17 Brennerabgasabschnitt
18 erster Brennerabgaszweig
19 zweiter Brennerabgaszweig
20 Brennerabgasast
21 Brennerluftzufuhr
22 Rezirkulationsabschnitt
30 Luft
31 Nutzgas
32 Abluft
33 Nutzabgas
34 Brennerabgas
35 Kondensatgas
40 Verteilungssystem
41 Sensormittel
42 Auswerteeinheit
43 Signalleitung
44 Steuerleitung
50 Flusssteuerungsmittel erstes Ventil zweites Ventil
drittes Ventil
viertes Ventil
Heizelement
Luftzuführgebläse
Rezirkulationsgebläse
Wassertank
Wasserpumpe
Wasserventil
Wasser
Kondensatgasnachbehandlung
Kondensatgebläse
Nutzgastank
Nutzgasquelle
Luftventil
Nutzgasventil
Brennstoffzellensystem
Umgebung
elektrische Anbindung

Claims

Patentansprüche
1. Brennstoffzellensystem (100), aufweisend zumindest einen
Brennstoffzellenstapel (1 ) mit einer ersten Elektrode (2) und einer zweiten Elektrode (3), einen Luftzuführabschnitt (10) zum Zuführen von Luft (30) zur ersten Elektrode (2), einen Nutzgaszuführabschnitt (11 ) zum Zuführen von Nutzgas (31 ) zur zweiten Elektrode (3), einen Abluftabschnitt (12) zum Abführen von Abluft (32) von der ersten Elektrode (2), einen
Nutzabgasabschnitt (13) zum Abführen von Nutzabgas (33) von der zweiten Elektrode (3), wobei der Abluftabschnitt (12) und der Nutzabgasabschnitt (13) in einen Abgasbrenner (4) zum zumindest teilweisen katalytischen Verbrennen der Abluft (32) und des Nutzabgases (33) münden, sowie einen Brennerabgasabschnitt (17) mit einem ersten Brennerabgaszweig (18) und einem zweiten Brennerabgaszweig (19) zum Abführen von Brennerabgas (34) vom Abgasbrenner (4), wobei der erste Brennerabgaszweig (18) mit einem ersten Wärmetauscherelement (5) im Luftzuführabschnitt (10) zur Bereitstellung von Wärmeeneergie an die Luft (30) im Luftzuführabschnitt (10) und der zweite Brennerabgaszweig (19) mit einem zweiten Wärmetauscherelement (6) im Nutzgaszuführabschnitt (11 ) zur Bereitstellung von Wärmeeneergie an das Nutzgas (31 ) im Nutzgaszuführabschnitt (11 ) verbunden ist.
dadurch gekennzeichnet, dass
das Brennstoffzellensystem (100) ein Verteilungssystem (40) mit Flusssteuerungsmitteln (50) zumindest im Nutzabgasabschnitt (13) und im Brennerabgasabschnitt (17) zum Verteilen einer im Nutzabgas (33) und/oder im Brennerabgas (34) gespeicherten Wärmeenergie im Brennstoffzellensystem (100) aufweist.
2. Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Verteilungssystem (40) Sensormittel (41 ) und eine Auswerteeinheit (42) zum Bestimmen eines Temperierungsbedarfs des Brennstoffzellensystems (100) aufweist.
3. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Flusssteuerungsmittel (50) zumindest ein ansteuerbares erstes Ventil (51 ) im Nutzabgasabschnitt (13), ein ansteuerbares zweites Ventil (52) im ersten Brennerabgaszweig (18) und ein ansteuerbares drittes Ventil (53) im zweiten Brennerabgaszweig (19) umfassen.
4. Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
das zweite Ventil (52) im ersten Brennerabgaszweig (18) stromabwärts des ersten Wärmetauscherelements (5) angeordnet ist und/oder dass das dritte Ventil (53) im zweiten Brennerabgaszweig (19) stromabwärts des zweiten Wärmetauscherelements (6) angeordnet ist.
5. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
das Brennstoffzellensystem (100) eine, insbesondere vom Luftzuführabschnitt (10) abzweigende, Brennerluftzufuhr (21 ) aufweist, wobei die Brennerluftzufuhr (21 ) in den Abgasbrenner (4) mündet.
6. Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Flusssteuerungsmittel (50) ein viertes Ventil (54) zum Einstellen einer Menge der in der Brennerluftzufuhr (21 ) geförderten Luft (30) und/oder ein Heizelement (55) in der Brennerluftzufuhr (21 ) zum Erwärmen der in der Brennerluftzufuhr (21 ) geförderten Luft (30) umfassen.
7. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Flusssteuerungsmittel (50) ein Luftzuführgebläse (56) im Luftzuführabschnitt (10) zum Einstellen einer Menge der im Luftzuführabschnitt (10) geförderten Luft (30) umfassen.
8. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
das Brennstoffzellensystem (100) einen Verdampfer (7) zum Bereitstellen von Wasserdampf zum Einleiten in den Nutzgaszuführabschnitt (11 ) aufweist, wobei der Verdampfer (7) zum Übertragen einer im Nutzabgas (33) und/oder im Brennerabgas (34) gespeicherten Wärmeenergie stromabwärts am Nutzabgasabschnitt (13) und/oder stromabwärts am ersten Brennerabgaszweig (18) und/oder stromabwärts am zweiten Brennerabgaszweig (19) angeordnet ist.
9. Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Verdampfer (7) als ein zweistufiger Verdampfer (7) ausgebildet ist.
10. Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
der erste Brennerabgaszweig (18) stromabwärts vom ersten Wärmetauscherelement (5) und der zweite Brennerabgaszweig (19) stromabwärts vom zweiten Wärmetauscherelement (6) in einen gemeinsamen Brennerabgasast (20) zusammengeführt sind, dass der Nutzabgasabschnitt (13) einen ersten Nutzabgaszweig (15) und einen zweiten Nutzabgaszweig (16) aufweist und sich an einer Verzweigstelle (14) in den ersten Nutzabgaszweig (15) und den zweiten Nutzabgaszweig (16) teilt, wobei der erste Nutzabgaszweig (15) in den Abgasbrenner (4) mündet und insbesondere das erste Ventil (51 ) umfasst, und wobei der Verdampfer (7) am Brennerabgasast (20) und am zweiten Nutzabgaszweig (16) angeordnet ist.
11. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
das Brennstoffzellensystem (100) einen Rezirkulationsabschnitt (22) zum Einspeisen von Nutzabgas (33) in das Nutzgas (31 ) aufweist, wobei der Rezirkulationsabschnitt (22) den Nutzabgasabschnitt (13), insbesondere den zweiten Nutzabgaszweig (16), mit dem Nutzgaszuführabschnitt (11 ) verbindet.
12. Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 11 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Flusssteuerungsmittel (50) ein Rezirkulationsgebläse (57) im Rezirkulationsabschnitt (22) zum Einstellen einer Menge des im Rezirkulationsabschnitt (22) geförderten Nutzabgases (33) umfassen.
13. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
im Nutzabgasabschnitt (13), insbesondere im zweiten Nutzabgaszweig (16) stromabwärts vom Verdampfer (7), eine Kondensationsvorrichtung (9) angeordnet ist zum Abscheiden von Wasser und/oder Nutzgas (31 ) aus dem Nutzabgas (33).
14. Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Brennstoffzellensystem (100) stromaufwärts von der Kondensationsvorrichtung (9) ein Betriebsventil (8) aufweist, wobei das Brennstoffzellensystem (100) bei geschlossenem Betriebsventil (8) zur Erzeugung von elektrischer Energie und bei geöffnetem Betriebsventil (8) zur Erzeugung von Nutzgas (31 ) ausgebildet ist.
15. Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
gekennzeichnet durch folgende Schritte: a) Ermitteln eines Temperierungsbedarfs des Brennstoffzellensystems (100), b) Ansteuern der Flusssteuerungsmittel (50) zum Verteilen einer im Nutzabgas (33) und/oder im Brennerabgas (34) gespeicherten Wärmeenergie im Brennstoffzellensystem (100), basierend auf dem in Schritt a) ermittelten Temperierungsbedarfs des Brennstoffzellensystems (100).
16. Verfahren nach Anspruch 15,
dadurch gekennzeichnet, dass
in Schritt a) zumindest ein lokaler Temperierungsbedarf des Brennstoffzellensystems (100) ermittelt wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 oder 16,
dadurch gekennzeichnet, dass
in Schritt b) als Flusssteuerungsmittel (50) Ventile (51 , 52, 53, 54) zum Steuern eines Wärmetransports im Brennstoffzellensystem (100) geschaltet werden, insbesondere um einen in Schritt a) ermittelten lokalen Temperierungsbedarf zu erfüllen.
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