WO2020037347A1 - Brennstoffzellensystem und verfahren zum betreiben desselben - Google Patents

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Bernd REITER
Jörg MATHÉ
Stefan PLANITZER
Michael Reissig
Vincent Lawlor
Dominic LEIPOLD
Julian MAKINSON
Jeanette SEEWALD
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    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell system, in particular an SOFC system for mobile use.
  • the invention further relates to a method for operating a fuel cell system and to a motor vehicle with such a fuel cell system.
  • Generic fuel cell systems have a fuel cell stack with an anode section and a cathode section for electrical power generation.
  • anode exhaust gas recirculation for reusing anode exhaust gas in the anode section is known.
  • a feedback fan is also arranged in a return circuit of the fuel cell system, by means of which anode exhaust gas can be conveyed from an anode outlet back towards an anode inlet of the anode section.
  • a fuel cell system with an anode exhaust gas recirculation is known from international patent application WO 2017/037197 A1.
  • anode exhaust gas is conveyed out of the anode outlet via a recirculation blower or a pump back towards the anode inlet of the anode section.
  • anode exhaust gas has a temperature of approximately 500 ° C.
  • the recirculation blower arranged downstream of the anode section or a corresponding pump must therefore have high-quality, correspondingly heat-resistant components.
  • the feedback blowers or pumps used are therefore relatively expensive.
  • the object of the present invention is to at least partially take into account the problem described above.
  • a fuel cell system comprising at least one fuel cell stack with an anode section and a cathode section, an anode supply section for supplying reformed anode supply gas from a reformer to the anode section, the reformer for reforming reformer supply gas, a reformer supply section for supplying the reformer supply gas to the reformer, and an anode return section for returning anode exhaust gas for reuse in the anode section.
  • the fuel cell system also has a heat exchanger with a first fluid guiding section for guiding the anode exhaust gas and a second fluid guiding section for guiding the reformer feed gas, the first fluid guiding section and the second fluid guiding section within the heat exchanger, at least in sections, for heat transfer between the anode exhaust gas and the reformer feed gas are in heat-transferring connection with one another.
  • the fuel cell system also has a fan section downstream of the first fluid guide section and upstream of the second fluid guide section with a recirculation fan arranged therein for guiding the anode exhaust gas from the first fluid guide section via the fan section to the second fluid guide section.
  • the fuel cell system has a cooling fluid guide section for supplying a cooling fluid into the fan section upstream of the return fan for cooling the anode exhaust gas in the fan section upstream of the return fan.
  • a fuel source is arranged upstream of the heat exchanger, an evaporator for evaporating fuel from the fuel source being integrated in the heat exchanger.
  • the fuel cell system can comprise one, two, three or more fuel cell stacks, which can be arranged as desired relative to one another and to other elements of the fuel cell system.
  • fuel cell stacks are to be understood as stacks.
  • Cooling fluid can be added to the anode exhaust gas in the blower section upstream of the return blower through the cooling fluid guide section. This can the anode exhaust gas is cooled upstream of the recirculation fan. After the cooled anode exhaust gas or the appropriately tempered anode exhaust gas / cooling fluid mixture / cooling fluid mixture has been conveyed further through the return fan through the second fluid guide section, the anode exhaust gas can additionally be cooled in the first fluid guide section by the heat exchanger.
  • the first fluid guide section accordingly corresponds to a hot side of the heat exchanger and the second fluid guide section corresponds to a cold side of the heat exchanger.
  • This two-stage cooling process makes it possible to reduce the temperature of the anode exhaust gas at the recirculation fan from around 500 ° C up to 300 ° C.
  • a recirculation fan with correspondingly cheaper components with regard to the required flash protection can be used.
  • Another advantage of the present fuel cell system is achieved in that the anode exhaust gas is already cooled in the first fluid guide section. This can reduce the risk of self-ignition, which could occur when hot anode exhaust gas meets the cooling fluid, which is provided, for example, in the form of ambient air.
  • the enthalpy can be used to pickle the fuel in order to reduce the outlet temperature of the fluid mixture from the second fluid guide section. Accordingly, as mentioned above, the enthalpy can be used to cool the anode exhaust gas which is passed through the first fluid guide section of the heat exchanger.
  • the system arrangement according to the invention enables the fuel to be heated or evaporated in an efficient manner and the anode exhaust gas to be cooled. This efficiency results in the possibility of a particularly compact construction of this component group.
  • the temperature of the anode exhaust gas can be reduced to up to 150 ° C. with the construction according to the invention at the inlet of the recirculation fan. It was thus possible to achieve such low temperatures at the fluid outlet of the recirculation fan that the anode exhaust gas / cooling fluid mixture no longer condenses in this area. This also leads to improved operation of the fuel cell system.
  • Another advantage of the system structure according to the invention results from the fact that no fuel has to be conveyed through the recirculation fan during the operation of the fuel cell system. If fuel were conveyed through the recirculation fan, an oxygen-to-carbon ratio (O / C ratio) upstream of the recirculation fan would not be in the desired ratio. This could lead to carbon deposition in the anode feed section. Evaporation takes place in the heat exchanger downstream of the recirculation fan. The desired amount of air or oxygen is already there, so that the desired O / C ratio is also available.
  • O / C ratio oxygen-to-carbon ratio
  • the evaporator is configured to add the fuel vaporized therein to the anode exhaust gas / cooling fluid mixture.
  • These fluid components also have the reformer supply gas, that is to say anode exhaust gas, cooling fluid, in particular in the form of ambient air, and vaporized fuel.
  • the fact that the evaporator is integrated in the heat exchanger can be understood to mean that the heat exchanger is designed integrally or as a component unit with the evaporator.
  • the evaporator does not have to be designed as an internal component of the heat exchanger or completely enclosed by the heat exchanger.
  • the fuel source is preferably designed in the form of a separate fuel tank. That is, the fuel source is preferably not provided as part of a fuel recirculation line but as a separate fuel source.
  • the fuel tank is designed in particular as a fuel tank for pure or predominantly pure hydrocarbon-containing liquid fuel.
  • a pump or a metering device for supplying the fuel to the evaporator is preferably arranged downstream of the fuel source.
  • the cooling fluid guide section can therefore be understood as an air guide section for supplying air, in particular ambient air, or another oxygen-containing gas into the fan section upstream of the recirculation fan.
  • the first fluid guide section and the second fluid guide section are arranged parallel or substantially parallel to one another for heat transfer with respect to a direction of flow through the fluid guide sections.
  • the heat can be transported from the hot anode exhaust gas in the first fluid guide section in the direction of the colder anode exhaust gas / cooling fluid mixture and vice versa over the longest possible distance in the heat exchanger, and a correspondingly effective cooling effect for the anode exhaust gas can be achieved in the first fluid guide section.
  • the second fluid guide section is preferably arranged directly downstream of the recirculation fan and directly upstream of the reformer.
  • the recirculation fan is to be understood as a gas recirculation unit for recirculating or supporting the recirculation of the anode exhaust gas for reuse in the anode section.
  • the return fan can also be designed as a return pump.
  • the blower section can also be understood as a pump section.
  • the first fluid guide section and the second fluid guide section are at least partially directly or indirectly in heat-transferring connection within the heat exchanger.
  • a direct heat-transferring connection can be realized in that a first line section wall of the first fluid guide section bears directly against a second line section wall of the second fluid guide section.
  • an air gap and / or a solid, heat-conducting material section can also be configured between the line section walls.
  • a merging section is preferably located upstream of the return blower. blower arranged for easy merging of the anode exhaust with the cooling fluid.
  • the second fluid guide section is designed to at least partially guide the reformer supply gas.
  • the reformer supply gas is conducted in particular in a rear section of the second fluid guide section, the rear section of the second fluid guide section being located downstream of a front section of the second fluid guide section.
  • the front section of the second fluid guide section is designed in particular for guiding the anode exhaust gas / cooling fluid mixture.
  • the heat exchanger is preferably designed as a plate-shaped heat exchanger. This design has proven to be a particularly space-saving variant of a heat exchanger that can be easily integrated into the present system.
  • a fuel cell system it is possible for a fuel cell system to have a cathode gas blower upstream of the cooling fluid guide section for supplying the cooling fluid in the form of cathode supply gas to the cooling fluid guide section.
  • the cathode supply gas is preferably to be understood as air, in particular ambient air or another oxygen-containing fluid, which is conveyed in the direction of the cathode section by the cathode gas blower during operation of the fuel cell system. Accordingly, the cathode gas blower can be operated with a double function.
  • the second fluid guide section in a fuel cell system according to the present invention, it is possible for the second fluid guide section to have a first fluid inlet for introducing the returned anode exhaust gas and / or the cooling fluid into the second fluid guide section, and a second fluid inlet for introducing vaporized fuel into the second Fluid guide section, and a fluid outlet for discharging a fluid mixture in the form of the reformer supply gas from the recirculated anode exhaust gas, the cooling fluid and / or the vaporized fuel, wherein a porous separation layer is formed within the second fluid conduit section, through which vaporized fuel for mixing with the recirculated Ano - denabgas and / or the cooling fluid is flowable.
  • the evaporated fuel can be mixed particularly evenly with the anode exhaust gas / cooling fluid mixture during the operation of the fuel cell system by simple structural measures within the second fluid guide section.
  • the first fluid guide section and the second fluid guide section within the heat exchanger are designed to run the anode exhaust gas and the reformer supply gas in opposite directions, at least in sections, in opposite directions to one another. Due to the opposite arrangement, the fluid line system can be provided in the fuel cell system in a particularly space-saving manner. In addition, fluid dynamic advantages can be achieved by the opposite arrangement.
  • the first fluid guide section and the second fluid guide section are arranged in opposite directions such that the anode exhaust gas in the first fluid guide section and the anode exhaust gas / cooling fluid mixture and / or the reformer supply gas or reformer supply fluid in the second fluid guide section in operation of the fuel cell system are in opposite or at least oblique to one another flowing directions flow inside the heat exchanger.
  • a fork section is arranged in the anode return section for branching off part of the anode exhaust gas in the direction of the first fluid guide section and another part of the anode exhaust gas in the direction of an afterburner of the fuel cell system.
  • the anode exhaust gas can be used in a simple manner both for the recycle in question for reuse in the anode section and for combustion in the afterburner and thus for temperature control of the fuel cell system or selected components thereof.
  • the fork section can be understood as a suitable 3-way valve.
  • a T-piece can advantageously also be provided, by means of which the anode exhaust gas divides up in accordance with a suppression caused by the anode recirculation fan.
  • the fork section upstream of the first fluid guide section By arranging the fork section upstream of the first fluid guide section, only the part of the anode exhaust gas is cooled on the heat exchanger. The part that is directed towards the afterburner remains at the original high temperature level. A particularly advantageous temperature management is thereby achieved.
  • approx. 35% can be of the anode exhaust gas in the direction of the first fluid guide section and approximately 65% of the anode exhaust gas in the direction of the afterburner.
  • the fork section is preferably arranged directly downstream of the anode section and directly upstream of the first fluid guide section of the heat exchanger.
  • a method for operating a fuel cell system as described above is provided, the anode exhaust gas being simultaneously sucked through the first fluid guide section by means of the return fan or a corresponding pump and then connected via the return fan through the second fluid guide section, and the cooling fluid is conveyed in the direction of the reformer via the return fan through the second fluid guide section.
  • a method according to the invention thus brings with it the same advantages as have been described in detail with reference to the fuel cell system according to the invention.
  • the extended cooling functions described above can be used in the context of the method for cooling the line section upstream of the recirculation fan.
  • fuel is evaporated by the evaporator integrated in the heat exchanger, while anode exhaust gas is conveyed through the second fluid guide section in the direction of the reformer by means of the recirculation fan.
  • the cooling fluid can be conveyed through the cathode gas blower in the form of ambient air from the environment of the fuel cell system into the cooling fluid guide section.
  • Ambient air is readily available and has the desired oxygen content for the necessary work processes in the fuel cell system.
  • the process can be implemented particularly easily and inexpensively using ambient air.
  • ambient air is supplied in a temperature range between 40 ° C. and 80 ° C., in particular at approximately 60 ° C.
  • the ambient air which is generally lower than 40 ° C., can be efficiently increased to the desired temperature by compressing it by means of the cathode gas blower.
  • fuel is supplied to the evaporator from the fuel source, which fuel contains predominantly, in particular more than 80%, hydrocarbon-containing fuel. That is, the present fuel cell system is preferably operated with pure or essentially pure fuel, and not with a fuel-water mixture, as is implemented in other, non-generic fuel cell systems.
  • the supply of pure fuel or essentially pure fuel can be implemented relatively easily in comparison to a supply of fuel mixture.
  • a predominantly hydrocarbon-containing fuel is to be understood as meaning fuel which has more than 50% of hydrocarbon-containing fuel.
  • a motor vehicle is provided with a fuel cell system for providing electrical energy as explained in detail above and at least one electric motor for driving the motor vehicle using at least partial use of the electrical energy provided by the fuel cell system.
  • the fuel cell system is further configured and configured to carry out a method as described above.
  • a motor vehicle according to the invention thus also has the advantages as described in detail above.
  • the motor vehicle can be designed in the form of a land vehicle, a watercraft, a rail vehicle, an aircraft and / or another mobile unit, such as a robot.
  • Figure 1 is a block diagram showing part of an inventive
  • FIG. 2 shows a partial section of a heat exchanger according to the invention
  • FIG. 3 shows a block diagram to illustrate a fuel cell system according to the invention
  • FIG. 4 shows a motor vehicle with a fuel cell system installed therein according to the present invention.
  • the fuel cell system 100 shown has one or more fuel cell stacks 1 with an anode section 2 and a cathode section 3, an anode supply section 5 for supplying reformed anode supply gas from a reformer 4 to the anode section 2, and the reformer 4 for reforming reformer supply gas, a reformer supply section 14 for supplying the reformer supply gas to the reformer 4, and an anode return section 6 for returning anode exhaust gas for reuse in the anode section 2.
  • the fuel cell system also has a heat exchanger 8 with a first fluid guide section 9 for guiding the anode exhaust gas and a second fluid guide section 10 for guiding the reformer supply gas, the first fluid guide section 9 and the second fluid guide section 10 within the heat exchanger 8 at least in sections for heat transfer between the anode exhaust gas and the reformer supply gas are in heat-transferring connection with one another.
  • the first fluid guide section corresponds to a hot side of the heat exchanger 8 and the second fluid guide section 10 corresponds to a cold side of the heat exchanger 8.
  • the fuel cell system 100 has a fan section 24 downstream of the first fluid guide section 9 and upstream of the second fluid guide section 10 with a recirculation fan 11 arranged therein for guiding the anode exhaust gas from the first fluid guide section 9 via the fan section 24 to the second fluid guide section 10, and a cooling fluid guide section 25 for supplying a cooling fluid into the blower section 24 upstream of the return blower 11 for cooling the anode exhaust gas in the blower section 24 upstream of the return blower 11.
  • a cathode gas blower 7 for guiding the cooling fluid in the form of cathode supply gas or ambient air into the cooling fluid guide section 25 is arranged upstream of the cooling fluid guide section 25.
  • a fuel source 13 in the form of a fuel tank is arranged upstream of the heat exchanger 8.
  • an evaporator 12 for evaporating fuel from the fuel source 13 is integrated in the illustrated heat exchanger 8.
  • a fork section 16 for branching off part of the anode exhaust gas in the direction of the first fluid guide section 9 and another part of the anode exhaust gas in the direction of an afterburner 17 of the fuel cell system 100 is arranged in the anode return section 6.
  • a merging section 15 is designed for merging the anode exhaust gas with the cooling fluid in the blower section 24.
  • the second fluid guide section 10 has a first fluid inlet 18 for introducing the returned anode exhaust gas and / or the cooling fluid into the second fluid guide section 10, a second fluid inlet 19 for introducing vaporized fuel into the second fluid guide section 10, and a fluid outlet 20 for dispensing a fluid mixture in the form of the reformer feed gas from the recirculated anode exhaust gas, the cooling fluid and / or the vaporized fuel.
  • a porous separating layer 21 is formed within the second fluid guide section 10, through which evaporated fuel can be flowed for mixing with the recirculated anode exhaust gas and / or the cooling fluid.
  • the first fluid guide section 9 has an anode exhaust gas inlet 22 and an anode exhaust gas outlet 23. As can be seen in FIG. 1 and in particular in FIG. 2, the first fluid guide section 9 and the second fluid guide section 10 within the heat exchanger 8 are designed to run the anode exhaust gas and the reformer supply gas in opposite directions, at least in sections, in opposite directions to one another.
  • the heat exchanger 8 shown in FIG. 2 is designed in the form of a counterflow, in particular in the form of a counterflow plate heat exchanger.
  • This design enables effective heat transfer between the first fluid guide section 9 and the second fluid guide section 10 to be achieved.
  • a direct current would also be conceivable.
  • the anode gas inlet 22 and the anode gas outlet 23 may be interchanged.
  • the heat exchanger 8 it would be possible for the heat exchanger 8 to be designed in the form of a cross-flow. In the case of a cross-flow, the fluid flows in question were perpendicular to one another and, in comparison to the parallel flow, would not be cross-mixed in each case in the flow direction.
  • anode exhaust gas is conducted from the anode section 2 through the anode return section 6 and the fork section 16 arranged therein to the first fluid guide section 9 of the heat exchanger 8. This is carried out at least in part by means of the return fan 11.
  • the anode exhaust gas is also passed on through the blower section 24 via the merging section 15 to the second fluid guide section 10 of the heat exchanger 8.
  • cooling fluid in the form of ambient air is conveyed through the second fluid guide section 10 in the direction of the reformer 4 by the cathode gas blower 7 and via the merging section 15 and the return blower 11.
  • the cooling fluid is used to cool the inlet area on the return fan 7 for the first time. Further cooling on and in the recirculation blower 11 takes place in that the cooling fluid in the region of the second fluid guide section 10 also cools the anode exhaust gas in the first fluid guide section 9, as a result of which the anode exhaust gas arrives at the merging section 15 already pre-cooled.
  • pure or substantially pure fuel in the form of a hydrocarbon-containing fluid such as ethanol or diesel is also fed into the evaporator 12 of the heat exchanger 8. Since the evaporation of the fuel takes place endothermally, the corresponding temperature withdrawal in the second fluid guide section 10 can be used for further cooling the first fluid guide section 9 or the anode exhaust gas therein. As a result, the anode exhaust gas temperature at the recirculation fan 11 can be reduced to approximately 150 ° C.
  • the reformer supply gas generated in the second fluid guide section 10 has speaking on the anode exhaust gas, the cooling fluid in the form of ambient air and the vaporized fuel.
  • the reformer supply gas reformed in the reformer 4 is fed further via the anode supply section 6 to the anode section 2, so that it can be reused there.
  • FIG. 3 shows the functional components of the fuel cell system 100 shown in FIG. 1 in an overall view.
  • the fuel cell system 100 shown is designed in the form of an SOFC system.
  • the fuel cell system 100 shown in FIG. 3 has two fuel cell stacks 1, each with an anode section 2 and a cathode section 3.
  • a further heat exchanger 26 is arranged downstream of the reformer 4 for heating the reformed anode supply gas. That is, the anode feed section 5 or a fluid outlet of the reformer 4 is in fluid communication with a cold side of the further heat exchanger 26.
  • the cold side of the further heat exchanger 26 or the corresponding fluid outlet of the further heat exchanger 26 is in fluid connection with the anode sections 2 of the fuel cell stack 1.
  • a fluid outlet of the afterburner 17 is in fluid communication with a hot side of the heat exchanger 27.
  • the further heat exchanger 27 is arranged downstream of the heat exchanger 27. More precisely, a fluid outlet of the heat exchanger 27 and a hot side of the further heat exchanger 26 are in fluid communication via a corresponding fluid inlet of the further heat exchanger 26. The hot side of the further heat exchanger 26 or the corresponding fluid outlet of the further heat exchanger 26 is in fluid connection with the cathode sections 2 of the fuel cell stack 1.
  • a further cooling unit 28 for cooling ambient air is arranged upstream of the cathode gas blower 7 in a further cooling fluid guide section, which runs at least partially parallel to the cooling fluid guide section 25.
  • the cooled ambient air or another cooled, oxygen-containing fluid can be fed directly to the recirculation blower 11 arranged downstream of the cooling unit 28 via the cooling unit.
  • Flierzu is downstream of the cooling unit 28 and
  • a cooling fluid blower is arranged upstream of the return blower 11 in the further cooling fluid guide section.
  • the fuel source 13 is arranged upstream of the afterburner 17 and is accordingly in fluid communication with the latter for supplying fuel.
  • the fuel can be fed from the fuel source 13 to the afterburner 17 via a start burner 29.
  • the reformer 4 is thermally coupled to the afterburner 17.
  • the reformer 4 and the afterburner 17 could also be arranged side by side, in particular in direct mechanical contact with one another.
  • the afterburner 17 could particularly preferably be arranged in a ring around the reformer 4.
  • FIG. 4 shows a motor vehicle 1000 with a fuel cell system 100 as described above.
  • the fuel cell system 100 generates the electrical energy required in the motor vehicle 1000.
  • the motor vehicle 1000 also has an electric motor 200 for driving the motor vehicle 1000 using at least in part the electrical energy generated by the fuel cell system 100.
  • the fuel cell system 100 of the motor vehicle 100 is configured and configured to carry out the method explained with reference to FIG. 1.
  • the motor vehicle 1000 can be provided not only as a purely electric motor vehicle 1000, but also as an electrical hybrid vehicle with an internal combustion engine.
  • the invention permits further design principles. That is, the invention should not be considered limited to the exemplary embodiments explained with reference to the figures.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem (100), aufweisend zumindest einen Brennstoffzellenstapel (1) mit einem Anodenabschnitt (2) und einem Kathodenabschnitt (3), einen Anodenzuführabschnitt (5) zum Zuführen von reformiertem Anodenzuführgas von einem Reformer (4) zu dem Anodenabschnitt (2), den Reformer (4) zum Reformieren von Reformerzuführgas, einen Reformerzuführabschnitt (14) zum Zuführen des Reformerzuführgases zu dem Reformer (4), einen Anodenrückführabschnitt (6) zum Rückführen von Anodenabgas zur Wiederverwendung im Anodenabschnitt (2), einen Wärmetauscher (8) mit einem ersten Fluidleitabschnitt (9) zum Leiten des Anodenabgases und einem zweiten Fluidleitabschnitt (10) zum Leiten des Reformerzuführgases, wobei der erste Fluidleitabschnitt (9) und der zweite Fluidleitabschnitt (10) innerhalb des Wärmetauschers (8) zumindest abschnittsweise für eine Wärmeübertragung zwischen dem Anodenabgas und dem Reformerzuführgas miteinander in wärmeübertragender Verbindung stehen, und einen Gebläseabschnitt (24) stromabwärts des ersten Fluidleitabschnitts (9) und stromaufwärts des zweiten Fluidleitabschnitts (10) mit einem darin angeordneten Rückführgebläse (11) zum Führen des Anodenabgases von dem ersten Fluidleitabschnitt (9) über den Gebläseabschnitt (24) zum zweiten Fluidleitabschnitt (10), einen Kühlfluidleitabschnitt (25) zum Zuführen eines Kühlfluids in den Gebläseabschnitt (24) stromaufwärts des Rückführgebläses (11) zum Kühlen des Anodenabgases im Gebläseabschnitt (24) stromaufwärts des Rückführgebläses (11), eine Brennstoffquelle (13), die stromaufwärts des Wärmetauschers (8) angeordnet ist, und einen in den Wärmetauscher (8) integrierten Verdampfer (12) zum Verdampfen von Brennstoff von der Brennstoffquelle (13). Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben des Brennstoffzellensystems (100) sowie ein Kraftfahrzeug (1000) mit dem Brennstoffzellensystem (100).

Description

Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Betreiben desselben
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, insbesondere ein SOFC-System für den mobilen Einsatz. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems sowie ein Kraftfahrzeug mit einem sol- chen Brennstoffzellensystem.
Gattungsgemäße Brennstoffzellensysteme weisen einen Brennstoffzellenstapel mit einem Anodenabschnitt und einem Kathodenabschnitt zur elektrischen Stromerzeu- gung auf. Bei gattungsgemäßen Brennstoffzellensystemen ist eine Anodenabgas- rückführung zur Wiederverwendung von Anodenabgas im Anodenabschnitt bekannt. Flierzu wird in einem Rückführkreislauf des Brennstoffzellensystems ein Rückführge- bläse angeordnet, mittels welchem Anodenabgas von einem Anodenausgang zurück in Richtung eines Anodeneingangs des Anodenabschnitts gefördert werden kann.
Aus der internationalen Patentanmeldung WO 2017/037197 A1 ist ein Brennstoffzel- lensystem mit einer Anodenabgasrückführung bekannt. Gemäß dem dort gezeigten Brennstoffzellensystem wird Anodenabgas aus dem Anodenausgang über ein Rück- führgebläse oder eine Pumpe zurück in Richtung des Anodeneingangs des Anoden- abschnitts gefördert. Anodenabgas hat bei derartigen Brennstoffzellensystemen eine Temperatur von ca. 500°C. Das stromabwärts des Anodenabschnitts angeordnete Rückführgebläse oder eine entsprechende Pumpe müssen deshalb hochwertige, entsprechend hitzebeständige Komponenten aufweisen. Die verwendeten Rückführ- gebläse oder Pumpen sind deshalb relativ teuer.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, der voranstehend beschriebenen Prob- lematik zumindest teilweise Rechnung zu tragen. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Brennstoffzellensystem sowie ein Verfahren zum Betrei- ben desselben zu schaffen, wobei ein Rückführgebläse mit einem möglichst geringen Wärmeschutz und deshalb entsprechend kostengünstig verwendet werden kann.
Die voranstehende Aufgabe wird durch die Patentansprüche gelöst. Insbesondere wird die voranstehende Aufgabe durch das Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 1 , das Verfahren gemäß Anspruch 6 sowie das Kraftfahrzeug gemäß Anspruch 9 ge- löst. Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Be- schreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zu- sammenhang mit dem Brennstoffzellensystem beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, dem erfindungs- gemäßen Kraftfahrzeug und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Brennstoffzellen- system bereitgestellt, aufweisend zumindest einen Brennstoffzellenstapel mit einem Anodenabschnitt und einem Kathodenabschnitt, einen Anodenzuführabschnitt zum Zuführen von reformiertem Anodenzuführgas von einem Reformer zu dem Anoden- abschnitt, den Reformer zum Reformieren von Reformerzuführgas, einen Reformer- zuführabschnitt zum Zuführen des Reformerzuführgases zu dem Reformer, und ei- nen Anodenrückführabschnitt zum Rückführen von Anodenabgas zur Wiederver- wendung im Anodenabschnitt. Das Brennstoffzellensystem weist ferner einen Wär- metauscher mit einem ersten Fluidleitabschnitt zum Leiten des Anodenabgases und einem zweiten Fluidleitabschnitt zum Leiten des Reformerzuführgases auf, wobei der erste Fluidleitabschnitt und der zweite Fluidleitabschnitt innerhalb des Wärmetau- schers zumindest abschnittsweise für eine Wärmeübertragung zwischen dem Ano- denabgas und dem Reformerzuführgas miteinander in wärmeübertragender Verbin- dung stehen. Das Brennstoffzellensystem weist ferner einen Gebläseabschnitt stromabwärts des ersten Fluidleitabschnitts und stromaufwärts des zweiten Fluidleit- abschnitts mit einem darin angeordneten Rückführgebläse zum Führen des Ano- denabgases von dem ersten Fluidleitabschnitt über den Gebläseabschnitt zum zwei- ten Fluidleitabschnitt auf. Außerdem weist das Brennstoffzellensystem einen Kühlflu- idleitabschnitt zum Zuführen eines Kühlfluids in den Gebläseabschnitt stromaufwärts des Rückführgebläses zum Kühlen des Anodenabgases im Gebläseabschnitt strom- aufwärts des Rückführgebläses auf. Darüber hinaus ist stromaufwärts des Wärme- tauschers eine Brennstoffquelle angeordnet, wobei in den Wärmetauscher ein Ver- dampfer zum Verdampfen von Brennstoff von der Brennstoffquelle integriert ist.
Das Brennstoffzellensystem kann einen, zwei, drei oder mehr Brennstoffzellenstapel umfassen, welche beliebig zueinander und zu anderen Elementen des Brennstoffzel- lensystems angeordnet sein können. Unter Brennstoffzellenstapel sind im Rahmen der Erfindung Stacks zu verstehen.
Durch den Kühlfluidleitabschnitt kann dem Anodenabgas im Gebläseabschnitt stromaufwärts des Rückführgebläses Kühlfluid beigemengt werden. Dadurch kann das Anodenabgas stromaufwärts des Rückführgebläses gekühlt werden. Nachdem das abgekühlte Anodenabgas bzw. das entsprechend temperierte Anodenabgas- Kühlfluid-GemischKühlfluid-Gemisch über das Rückführgebläse weiter durch den zweiten Fluidleitabschnitt gefördert wurde, kann durch den Wärmetauscher das Ano- denabgas ergänzend bereits im ersten Fluidleitabschnitt gekühlt werden. Der erste Fluidleitabschnitt entspricht demnach einer heißen Seite des Wärmetauschers und der zweite Fluidleitabschnitt einer kalten Seite des Wärmetauschers. Durch dieses zweistufige Kühlverfahren ist es möglich, die Temperatur des Anodenabgases am Rückführgebläse von bisher ca. 500°C auf bis zu 300°C zu reduzieren. Im vorge- schlagenen Brennstoffzellensystem kann deshalb ein Rückführgebläse mit entspre- chend günstigeren Komponenten hinsichtlich des erforderlichen Flitzeschutzes ver- wendet werden.
Ein weiterer Vorteil des vorliegenden Brennstoffzellensystems wird dadurch erreicht, dass das Anodenabgas bereits im ersten Fluidleitabschnitt gekühlt wird. Dadurch kann die Gefahr einer Selbstentzündung reduziert werden, die beim Zusammentref- fen von heißem Anodenabgas mit dem Kühlfluid, das beispielsweise in Form von Umgebungsluft bereitgestellt wird, auftreten könnte.
Für die Verdampfung des Brennstoffs von der Brennstoffquelle im Verdampfer wird Energie benötigt. D.h., für die Verdampfung des Brennstoffs muss dem Verdampfer Wärmeenergie zugeführt werden. Diese erforderliche Wärmeenergie wird vorliegend zumindest teilweise der Umgebung des Verdampfers, insbesondere dem Wärmetau- scher, entzogen. Mit anderen Worten wird dem Anodenabgas überschüssige Wär- meenergie entzogen und dem im Wärmetauscher integrierten Verdampfer zum Ver- dampfen des Brennstoffs zugeführt. Im Rahmen dieses Vorgangs werden das Ano- denabgas gekühlt und der Verdampfer bzw. der Brennstoff im Verdampfer erhitzt. Folglich kann durch die endotherme Reaktion beim Verdampfen des Brennstoffs die Enthalpie zum Fleizen des Brennstoffs genutzt werden, um die Auslasstemperatur des Fluidgemisches aus dem zweiten Fluidleitabschnitt zu reduzieren. Entsprechend kann, wie vorstehend erwähnt, mittels der Enthalpie das Anodenabgas gekühlt wer- den, das durch den ersten Fluidleitabschnitt des Wärmetauschers geführt wird.
Dadurch können eine weitere Vorkühlung des Anodenabgases und mithin eine noch niedrigere Temperatur des Anodenabgases am Rückführgebläse erzielt werden. Folglich kann ein noch kostengünstigeres Rückführgebläse mit einem entsprechend niedrigen Flitzeschutz verwendet werden. Durch die erfindungsgemäße Systemanordnung können auf effiziente Weise der Brennstoff erhitzt bzw. verdampft und das Anodenabgas gekühlt werden. Diese Effi- zienz resultiert in der Möglichkeit einer besonders kompakten Bauweise dieser Bau- teilgruppe.
Es scheint, dass sich die Temperatur des Anodenabgases mit dem erfindungsgemä- ßen Aufbau am Eingang des Rückführgebläses auf bis zu 150°C reduzieren lässt. Damit konnten am Fluidausgang des Rückführgebläses derart niedrige Temperatu- ren erreicht werden, dass das Anodenabgas-Kühlfluid-Gemisch in diesem Bereich gerade nicht mehr kondensiert. Auch dies führt zu einem verbesserten Betrieb des Brennstoffzellensystems.
Ein weiterer Vorteil ergibt sich bei dem erfindungsgemäßen Systemaufbau dadurch, dass während des Betriebs des Brennstoffzellensystems kein Brennstoff durch das Rückführgebläse gefördert werden muss. Würde Brennstoff durch das Rückführge- bläse gefördert werden, befände sich ein Sauerstoff-zu-Kohlenstoff-Verhältnis (O/C- Verhältnis) stromaufwärts des Rückführgebläses nicht im gewünschten Verhältnis. Dies könnte zu einer Kohlenstoffablagerung im Anodenzuführabschnitt führen. Vor- liegend findet die Verdampfung im Wärmetauscher stromabwärts des Rückführge- bläses statt. Dort befindet sich bereits die gewünschte Menge an Luft bzw. Sauer- stoff, sodass auch das gewünschte O/C-Verhältnis vorliegt.
Der Verdampfer ist zum Beimengen des darin verdampften Brennstoffs zum Ano- denabgas-Kühlfluid-Gemisch konfiguriert. Diese Fluidkomponenten weist auch das Reformerzuführgas auf, also Anodenabgas, Kühlfluid, insbesondere in Form von Umgebungsluft, und verdampften Brennstoff.
Darunter, dass der Verdampfer in den Wärmetauscher integriert ist kann verstanden werden, dass der Wärmetauscher integral oder als eine Bauteileinheit mit dem Ver- dampfer ausgestaltet ist. Der Verdampfer muss dabei nicht als internes bzw. vom Wärmetauscher vollständig umschlossenes Bauteil des Wärmetauschers ausgestal- tet sein. Die Brennstoffquelle ist vorzugsweise in Form eines separaten Brenn- stofftanks ausgestaltet. D.h., die Brennstoffquelle ist bevorzugt nicht als Teil einer Brennstoffrezirkulationsleitung sondern als separate Brennstoffquelle bereitgestellt. Der Brennstofftank ist insbesondere als Brennstofftank für reinen oder überwiegend reinen kohlenwasserstoffhaltigen Flüssigbrennstoff ausgestaltet. Zwischen der Brennstoffquelle und dem Verdampfer bzw. stromaufwärts des Verdampfers und stromabwärts der Brennstoffquelle ist vorzugsweise eine Pumpe oder eine Dosierein- richtung zum Zuführen des Brennstoffs zum Verdampfer angeordnet.
Wie vorstehend erwähnt, kann als Kühlfluid Umgebungsluft oder ein anderes kühles, sauerstoffhaltiges Fluid verwendet werden. Der Kühlfluidleitabschnitt kann mithin als Luftleitabschnitt zum Zuführen von Luft, insbesondere Umgebungsluft, oder einem anderen sauerstoffhaltigen Gas in den Gebläseabschnitt stromaufwärts des Rück- führgebläses verstanden werden.
Der erste Fluidleitabschnitt und der zweite Fluidleitabschnitt sind für die Wärmeüber- tragung mit Bezug auf eine Strömungsrichtung durch die Fluidleitabschnitte parallel oder im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet. Dadurch können der Wär- metransport vom heißen Anodenabgas im ersten Fluidleitabschnitt in Richtung des kälteren Anodenabgas-Kühlfluid-Gemisches und anders herum auf möglichst langer Strecke im Wärmetauscher durchgeführt und eine entsprechend wirkungsvolle Kühl- wirkung für das Anodenabgas im ersten Fluidleitabschnitt erzielt werden.
Der zweite Fluidleitabschnitt ist vorzugsweise direkt stromabwärts des Rückführge- bläses und direkt stromaufwärts des Reformers angeordnet. Unter dem Rückführge- bläse ist eine Gasrezirkulationseinheit zum Rückführen bzw. zur Unterstützung der Rückführung des Anodenabgases zur Wiederverwendung im Anodenabschnitt zu verstehen. Entsprechend kann das Rückführgebläse auch als Rückführpumpe aus- gestaltet sein. Der Gebläseabschnitt kann in diesem Fall auch als Pumpabschnitt verstanden werden.
Für die Wärmeübertragung zwischen dem Anodenabgas und dem Reformerzuführ- gas stehen der erste Fluidleitabschnitt und der zweite Fluidleitabschnitt innerhalb des Wärmetauschers zumindest abschnittsweise direkt oder indirekt miteinander in wär- meübertragender Verbindung. Eine direkte wärmeübertragende Verbindung kann dadurch realisiert sein, dass eine erste Leitungsabschnittswandung des ersten Fluid- leitabschnitts direkt an einer zweiten Leitungsabschnittswandung des zweiten Fluid- leitabschnitts anliegt. Bei einer indirekten wärmeübertragenden Verbindung können zwischen den Leitungsabschnittswandungen noch ein Luftspalt und/oder ein fester, wärmeleitender Materialabschnitt ausgestaltet sein.
Zum Zuführen des Kühlfluids in den Gebläseabschnitt stromaufwärts des Rückführ- gebläses ist vorzugsweise ein Zusammenführabschnitt stromaufwärts des Rückführ- gebläses für ein einfaches Zusammenführen des Anodenabgases mit dem Kühlfluid angeordnet.
Der zweite Fluidleitabschnitt ist zum wenigstens teilweisen Leiten des Reformerzu- führgases ausgestaltet. Das Reformerzuführgas wird insbesondere in einem hinteren Abschnitt des zweiten Fluidleitabschnitts geleitet, wobei sich der hintere Abschnitt des zweiten Fluidleitabschnitts stromabwärts eines vorderen Abschnitts des zweiten Fluidleitabschnitts befindet. Der vordere Abschnitt des zweiten Fluidleitabschnitts ist insbesondere zum Leiten des Anodenabgas-Kühlfluid-Gemisches ausgestaltet.
Der Wärmetauscher ist vorzugsweise als ein plattenförmiger Wärmetauscher ausge- staltet. Diese Bauform hat sich als eine besonders platzsparende und gut in das vor- liegende System integrierbare Variante eines Wärmetauschers herausgestellt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es möglich, dass bei einem Brennstoffzellensystem stromaufwärts des Kühlfluidleitabschnitts ein Kathodengasgebläse zum Zuführen des Kühlfluids in Form von Kathodenzuführgas in den Kühlfluidleitabschnitt, angeordnet ist. Unter dem Kathodenzuführgas ist vor- zugsweise Luft, insbesondere Umgebungsluft oder ein anderes sauerstoffhaltiges Fluid, zu verstehen, welche bzw. welches durch das Kathodengasgebläse während des Betriebs des Brennstoffzellensystems in Richtung des Kathodenabschnitts ge- fördert wird. Demnach kann das Kathodengasgebläse mit einer Doppelfunktion be- trieben werden. Einerseits fördert es das Kathodenzuführgas in Richtung des Katho- denabschnitts des Brennstoffzellenstapels, andererseits fördert es das Kühlfluid, ins- besondere Umgebungsluft, in Form des Kathodenzuführgases in den Kühlfluidleitab- schnitt zum Kühlen des Anodenabgases. Für das Brennstoffzellensystem kann damit ein besonders platzsparender Systemaufbau umgesetzt werden.
Darüber hinaus ist es bei einem Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Er- findung möglich, dass der zweite Fluidleitabschnitt einen ersten Fluideingang zum Einbringen des rückgeführten Anodenabgases und/oder des Kühlfluids in den zwei- ten Fluidleitabschnitt, einen zweiten Fluideingang zum Einbringen von verdampftem Brennstoff in den zweiten Fluidleitabschnitt, und einen Fluidausgang zum Ausgeben eines Fluidgemisches in Form des Reformerzuführgases aus dem rückgeführten Anodenabgas, dem Kühlfluid und/oder dem verdampften Brennstoff, aufweist, wobei innerhalb des zweiten Fluidleitabschnitts eine poröse Trennschicht ausgestaltet ist, durch welche verdampfter Brennstoff zum Vermengen mit dem rückgeführten Ano- denabgas und/oder dem Kühlfluid strömbar ist. Dadurch kann sich der verdampfte Brennstoff durch einfache strukturelle Maßnahmen innerhalb des zweiten Fluidleitab- schnitts während des Betriebs des Brennstoffzellensystems besonders gleichmäßig mit dem Anodenabgas-Kühlfluid-Gemisch vermengen.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltungsvariante der vorliegenden Erfindung ist es möglich, dass der erste Fluidleitabschnitt und der zweite Fluidleitabschnitt innerhalb des Wärmetauschers zum zueinander gegenläufigen Führen des Anodenabgases und des Reformerzuführgases zumindest abschnittsweise zueinander gegenläufig ausgestaltet sind. Durch die gegenläufige Anordnung kann das Fluidleitungssystem besonders platzsparend im Brennstoffzellensystem bereitgestellt werden. Außerdem können durch die gegenläufige Anordnung fluiddynamische Vorteile erzielt werden. Der erste Fluidleitabschnitt und der zweite Fluidleitabschnitt sind derart gegenläufig angeordnet, dass das Anodenabgas im ersten Fluidleitabschnitt und das Anodenab- gas-Kühlfluid-Gemisch und/oder das Reformerzuführgas bzw. Reformerzuführfluid im zweiten Fluidleitabschnitt im Betrieb des Brennstoffzellensystems in entgegengesetz- te oder zumindest schräg zueinander verlaufende Richtungen innerhalb des Wärme- tauschers strömen.
Zudem ist es von Vorteil, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensys- tem im Anodenrückführabschnitt ein Gabelabschnitt zum Abzweigen eines Teils des Anodenabgases in Richtung des ersten Fluidleitabschnitts und eines anderen Teils des Anodenabgases in Richtung eines Nachbrenners des Brennstoffzellensystems angeordnet ist. Unter Verwendung des Gabelabschnitts kann das Anodenabgas auf einfache Weise sowohl für die in Rede stehende Rückführung zur Wiederverwen- dung im Anodenabschnitt, als auch für eine Verbrennung im Nachbrenner und damit für eine Temperierung des Brennstoffzellensystems bzw. ausgewählter Komponen- ten desselben genutzt werden. Unter dem Gabelabschnitt kann ein geeignetes 3- Wege-Ventil verstanden werden. Alternativ kann vorteilhaft auch ein T-Stück vorge- sehen sein, durch welches sich das Anodenabgas entsprechend einem durch das Anodenrezirkulationsgebläse verursachten Unterdrück aufteilt. Durch die Anordnung des Gabelabschnitts stromaufwärts des ersten Fluidleitabschnitts wird nur der Teil des Anodenabgases am Wärmetauscher gekühlt. Der Teil, der in Richtung des Nachbrenners geleitet wird, bleibt auf dem ursprünglichen hohen Temperaturniveau. Dadurch wird ein besonders vorteilhaftes Temperaturmanagement erzielt. Während des Betriebs des Brennstoffzellensystems können durch den Gabelabschnitt ca. 35% des Anodenabgases in Richtung des ersten Fluidleitabschnitts und ca. 65% des Anodenabgases in Richtung des Nachbrenners geleitet werden. Eine Aufteilung ist jedoch grundsätzlich vom verwendetem Brennstoff und/oder einem Betriebspunkt abhängig, weshalb diese auch anders sein kann, beispielsweise auch 50 % zu 50 % oder 70 % zu 30 % oder 40 % zu 60 % oder beliebig festlegbar anders. Der Gabel- abschnitt ist vorzugsweise direkt stromabwärts des Anodenabschnitts und direkt stromaufwärts des ersten Fluidleitabschnitts des Wärmetauschers angeordnet.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben eines wie vorstehend beschriebenen Brennstoffzellensystems bereitge- stellt, wobei mittels des Rückführgebläses bzw. einer entsprechenden Pumpe gleich- zeitig das Anodenabgas durch den ersten Fluidleitabschnitt gesaugt und anschließen über das Rückführgebläse durch den zweiten Fluidleitabschnitt, und das Kühlfluid über das Rückführgebläse durch den zweiten Fluidleitabschnitt, in Richtung des Re- formers gefördert werden. Damit bringt ein erfindungsgemäßes Verfahren die glei- chen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem beschrieben worden sind. Insbesondere können im Rahmen des Verfahrens die vorstehend beschriebenen erweiterten Kühlfunktionen zum Küh- len des Leitungsabschnitts stromaufwärts des Rückführgebläses genutzt werden. Bei dem vorliegenden Verfahren wird durch den im Wärmetauscher integrierten Ver- dampfer Brennstoff verdampft, während mittels des Rückführgebläses Anodenabgas durch den zweiten Fluidleitabschnitt in Richtung des Reformers gefördert wird.
Bei einer weiteren Ausgestaltungsvariante der vorliegenden Erfindung kann das Kühlfluid durch das Kathodengasgebläse in Form von Umgebungsluft aus der Um- gebung des Brennstoffzellensystems in den Kühlfluidleitabschnitt gefördert werden. Umgebungsluft ist leicht verfügbar und weist den gewünschten Sauerstoffgehalt für die erforderlichen Arbeitsprozesse im Brennstoffzellensystem auf. Unter Verwendung von Umgebungsluft kann das Verfahren besonders leicht und kostengünstig umge- setzt werden. Bei Versuchen im Rahmen der vorliegenden Erfindung hat sich her- ausgestellt, dass besonders gute Betriebsergebnisse erzielt werden können, wenn Umgebungsluft in einem Temperaturbereich zwischen 40°C und 80°C, insbesondere mit ca. 60°C, zugeführt wird. Die Umgebungsluft, die in der Regel niedriger als 40°C ist, kann durch die Komprimierung derselben mittels des Kathodengasgebläses effi- zient auf die gewünschte Temperatur erhöht werden. Darüber hinaus ist es möglich, dass bei einem erfindungsgemäßen Verfahren dem Verdampfer aus der Brennstoffquelle Brennstoff zugeführt wird, der überwiegend, insbesondere mehr als 80%, kohlenwasserstoffhaltigen Brennstoff aufweist. D.h., das vorliegende Brennstoffzellensystem wird vorzugsweise mit reinem oder im We- sentlichen reinem Brennstoff, und nicht etwa mit einem Brennstoff-Wasser-Gemisch, wie dies bei anderen, gattungsfremden Brennstoffzellensystemen umgesetzt wird, betrieben. Die Zufuhr von reinem Brennstoff bzw. von im Wesentlichen reinem Brennstoff kann im Vergleich zu einer Brennstoffgemischzufuhr relativ einfach reali- siert werden. Unter überwiegend kohlenwasserstoffhaltigem Brennstoff ist Brennstoff zu verstehen, der mehr als 50% kohlenwasserstoffhaltigen Brennstoff aufweist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Kraftfahrzeug mit einem wie vorstehend im Detail erläuterten Brennstoffzellensystem zur Bereitstellung elektrischer Energie und wenigstens einem Elektromotor zum Antreiben des Kraft- fahrzeugs unter zumindest teilweiser Verwendung der elektrischen Energie, die durch das Brennstoffzellensystem bereitgestellt wird, geschaffen. Das Brennstoffzel- lensystem ist dabei ferner zum Durchführen eines wie vorstehend beschriebenen Verfahrens konfiguriert und ausgestaltet. Damit bringt auch ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug die Vorteile mit sich, wie sie vorstehend ausführlich beschrieben wur- den. Das Kraftfahrzeug kann in Form eines Landfahrzeugs, eines Wasserfahrzeugs, eines Schienenfahrzeugs, eines Luftfahrzeugs und/oder einer anderen mobilen Ein- heit, wie beispielsweise eines Roboters, ausgestaltet sein.
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen ergeben sich aus der nachfolgen- den Beschreibung zu verschiedenen Ausführungsbeispielen der Erfindung, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Be- schreibung oder der Zeichnung hervorgehende Merkmale und/oder Vorteile, ein- schließlich konstruktiver Einzelheiten und räumlicher Anordnungen können sowohl für sich als auch in den verschiedenen Kombinationen erfindungswesentlich sein.
Es zeigen jeweils schematisch:
Figur 1 ein Blockdiagramm zum Darstellen eines Teils eines erfindungsgemäßen
Brennstoffzellensystems,
Figur 2 einen Teilabschnitt eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers, Figur 3 ein Blockdiagramm zum Darstellen eines erfindungsgemäßen Brennstoff- zellensystems, und
Figur 4 ein Kraftfahrzeug mit einem darin verbauten Brennstoffzellensystem ge- mäß der vorliegenden Erfindung.
Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den Figuren 1 bis 4 je- weils mit denselben Bezugszeichen versehen.
In Fig. 1 sind schematisch die erfindungswesentlichen Bestandteile eines Brennstoff- zellensystems 100 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform dargestellt. Das ge- zeigte Brennstoffzellensystem 100 weist einen oder mehrere Brennstoffzellenstapel 1 mit einem Anodenabschnitt 2 und einem Kathodenabschnitt 3, einen Anodenzu- führabschnitt 5 zum Zuführen von reformiertem Anodenzuführgas von einem Refor- mer 4 zu dem Anodenabschnitt 2, den Reformer 4 zum Reformieren von Reformer- zuführgas, einen Reformerzuführabschnitt 14 zum Zuführen des Reformerzuführga- ses zu dem Reformer 4, und einen Anodenrückführabschnitt 6 zum Rückführen von Anodenabgas zur Wiederverwendung im Anodenabschnitt 2, auf.
Das Brennstoffzellensystem weist ferner einen Wärmetauscher 8 mit einem ersten Fluidleitabschnitt 9 zum Leiten des Anodenabgases und einem zweiten Fluidleitab- schnitt 10 zum Leiten des Reformerzuführgases auf, wobei der erste Fluidleitab- schnitt 9 und der zweite Fluidleitabschnitt 10 innerhalb des Wärmetauschers 8 zu- mindest abschnittsweise für eine Wärmeübertragung zwischen dem Anodenabgas und dem Reformerzuführgas miteinander in wärmeübertragender Verbindung ste- hen. Der erste Fluidleitabschnitt entspricht einer heißen Seite des Wärmetauschers 8 und der zweite Fluidleitabschnitt 10 entspricht einer kalten Seite des Wärmetau- schers 8.
Außerdem weist das Brennstoffzellensystem 100 einen Gebläseabschnitt 24 strom- abwärts des ersten Fluidleitabschnitts 9 und stromaufwärts des zweiten Fluidleitab- schnitts 10 mit einem darin angeordneten Rückführgebläse 11 zum Führen des Ano- denabgases von dem ersten Fluidleitabschnitt 9 über den Gebläseabschnitt 24 zum zweiten Fluidleitabschnitt 10, und einen Kühlfluidleitabschnitt 25 zum Zuführen eines Kühlfluids in den Gebläseabschnitt 24 stromaufwärts des Rückführgebläses 11 zum Kühlen des Anodenabgases im Gebläseabschnitt 24 stromaufwärts des Rückführge- bläses 11 , auf. Stromaufwärts des Kühlfluidleitabschnitts 25 ist ein Kathodengasgebläse 7 zum Zu führen des Kühlfluids in Form von Kathodenzuführgas bzw. Umgebungsluft in den Kühlfluidleitabschnitt 25 angeordnet. Stromaufwärts des Wärmetauschers 8 ist eine Brennstoffquelle 13 in Form eines Brennstofftanks angeordnet. Außerdem ist in den dargestellten Wärmetauscher 8 ein Verdampfer 12 zum Verdampfen von Brennstoff von der Brennstoffquelle 13 integriert.
Im Anodenrückführabschnitt 6 ist ein Gabelabschnitt 16 zum Abzweigen eines Teils des Anodenabgases in Richtung des ersten Fluidleitabschnitts 9 und eines anderen Teils des Anodenabgases in Richtung eines Nachbrenners 17 des Brennstoffzellen- systems 100 angeordnet. Stromaufwärts des Kathodengasgebläses 7 ist ein Zu sammenführabschnitt 15 zum Zusammenführen des Anodenabgases mit dem Kühl- fluid im Gebläseabschnitt 24 ausgestaltet.
Mit Bezug auf Fig. 2 wird anschließend eine bevorzugte Ausführungsform eines Teil- abschnitts des Wärmetauschers 8 beschrieben. In dem dargestellten Teilabschnitt des Wärmetauschers 8 weist der zweite Fluidleitabschnitt 10 einen ersten Fluidein- gang 18 zum Einbringen des rückgeführten Anodenabgases und/oder des Kühlfluids in den zweiten Fluidleitabschnitt 10, einen zweiten Fluideingang 19 zum Einbringen von verdampftem Brennstoff in den zweiten Fluidleitabschnitt 10, und einen Flu- idausgang 20 zum Ausgeben eines Fluidgemisches in Form des Reformerzuführga- ses aus dem rückgeführten Anodenabgas, dem Kühlfluid und/oder dem verdampften Brennstoff, auf. Innerhalb des zweiten Fluidleitabschnitts 10 ist eine poröse Trenn- schicht 21 ausgestaltet, durch welche verdampfter Brennstoff zum Vermengen mit dem rückgeführten Anodenabgas und/oder dem Kühlfluid strömbar ist. Der erste Flu- idleitabschnitt 9 weist einen Anodenabgaseingang 22 und einen Anodenabgasaus- gang 23 auf. Wie in Fig. 1 und insbesondere in Fig. 2 zu erkennen, sind der erste Fluidleitabschnitt 9 und der zweite Fluidleitabschnitt 10 innerhalb des Wärmetau- schers 8 zum zueinander gegenläufigen Führen des Anodenabgases und des Re- formerzuführgases zumindest abschnittsweise zueinander gegenläufig ausgestaltet.
Der in Fig. 2 dargestellte Wärmetauscher 8 ist in Form eines Gegenströmers, insbe- sondere in Form eines Gegenströmer-Plattenwärmetauschers ausgestaltet. Durch diese Bauform lässt sich eine wirksame Wärmeübertragung zwischen dem ersten Fluidleitabschnitt 9 und dem zweiten Fluidleitabschnitt 10 erreichen. Alternativ zur dargestellten Variante wäre auch ein Gleichströmer denkbar. In diesem Fall könnten der Anodengaseingang 22 und der Anodengasausgang 23 vertauscht angeordnet sein. Darüber hinaus wäre es möglich, dass der Wärmetauscher 8 in Form eines Kreuzströmers ausgestaltet ist. Bei einem Kreuzströmer verliefen die in Rede ste- henden Fluidströme senkrecht zueinander und wären, im Vergleich zum Parallel- strömer, jeweils in Strömungsrichtung nicht quervermischt. Zudem wäre eine Ausge- staltungsvariante des Wärmetauschers 8 in Form eines Kreuzgegenströmers mög- lich. Dies könnte durch eine Kombination mehrerer Plattenelemente übereinander realisiert werden. Flierfür wäre eine entsprechende Auftrennung der jeweiligen Fluid- ströme erforderlich. Der erhöhte strukturelle Aufwand könnte hierbei durch einen be- sonders effektiven Wärmetausch gerechtfertigt werden.
Mit Bezug auf Fig. 1 soll anschließend ein Verfahren zum Betreiben des dargestell- ten Brennstoffzellensystems 100 erläutert werden. Während eines Betriebs des Brennstoffzellensystems 100 wird Anodenabgas vom Anodenabschnitt 2 durch den Anodenrückführabschnitt 6 und den darin angeordneten Gabelabschnitt 16 zum ers- ten Fluidleitabschnitt 9 des Wärmetauschers 8 geleitet. Dies wird zumindest teilweise mittels des Rückführgebläses 11 durchgeführt. Mittels des Rückführgebläses 11 wird das Anodenabgas durch den Gebläseabschnitt 24 auch weiter über den Zusammen- führabschnitt 15 zum zweiten Fluidleitabschnitt 10 des Wärmetauschers 8 geleitet. Gleichzeitig wird durch das Kathodengasgebläse 7 und über den Zusammenführab- schnitt 15 sowie das Rückführgebläse 11 Kühlfluid in Form von Umgebungsluft durch den zweiten Fluidleitabschnitt 10 in Richtung des Reformers 4 gefördert. Durch das Kühlfluid wird der Eingangsbereich am Rückführgebläse 7 bereits erstmalig gekühlt. Eine weitere Kühlung am und im Rückführgebläse 11 findet dadurch statt, dass das Kühlfluid im Bereich des zweiten Fluidleitabschnitts 10 auch das Anodenabgas im ersten Fluidleitabschnitt 9 kühlt, wodurch das Anodenabgas bereits vorgekühlt am Zusammenführabschnitt 15 ankommt.
Während des Betriebs des Brennstoffzellensystems 100 wird außerdem reiner oder im Wesentlichen reiner Brennstoff in Form eines kohlenwasserstoffhaltigen Fluids wie Ethanol oder Diesel in den Verdampfer 12 des Wärmetauschers 8 geführt. Da die Verdampfung des Brennstoffs endotherm stattfindet, kann der entsprechende Temperaturentzug im zweiten Fluidleitabschnitt 10 zum weiteren Kühlen des ersten Fluidleitabschnitts 9 bzw. des Anodenabgases darin genutzt werden. Dadurch kann die Anodenabgastemperatur am Rückführgebläse 11 auf bis zu ca. 150°C verringert werden. Das im zweiten Fluidleitabschnitt 10 erzeugte Reformerzuführgas weist ent- sprechend das Anodenabgas, das Kühlfluid in Form von Umgebungsluft sowie den verdampften Brennstoff auf. Während des Betriebs des Brennstoffzellensystems 100 wird das im Reformer 4 reformierte Reformerzuführgas über den Anodenzuführab- schnitt 6 weiter zum Anodenabschnitt 2 geführt, sodass es dort wiederverwendet werden kann.
Fig. 3 zeigt die in Fig. 1 dargestellten Funktionsbauteile des Brennstoffzellensystems 100 in einer Gesamtansicht. Das dargestellte Brennstoffzellensystem 100 ist in Form eines SOFC-Systems ausgestaltet. In Fig. 3 kann insbesondere die Integration der in Fig. 1 dargestellten Funktionsbauteile in ein Gesamtsystem erkannt werden. Das in Fig. 3 dargestellte Brennstoffzellensystem 100 weist zwei Brennstoffzellenstapel 1 mit jeweils einem Anodenabschnitt 2 und einem Kathodenabschnitt 3 auf. Stromab- wärts des Reformers 4 ist ein weiterer Wärmetauscher 26 zum Erhitzen des refor- mierten Anodenzuführgases angeordnet. D.h., der Anodenzuführabschnitt 5 bzw. ein Fluidausgang des Reformers 4 steht mit einer kalten Seite des weiteren Wärmetau- schers 26 in Fluidverbindung. Die kalte Seite des weiteren Wärmetauschers 26 bzw. der entsprechende Fluidausgang des weiteren Wärmetauschers 26 steht mit den Anodenabschnitten 2 der Brennstoffzellenstapel 1 in Fluidverbindung.
Stromabwärts des Nachbrenners 17 ist noch ein Wärmetauscher 27 zur Verwendung des erhitzten Fluids aus dem Nachbrenner 17 zum Erhitzen von Kathodenzuführgas angeordnet. D.h., ein Fluidausgang des Nachbrenners 17 steht mit einer heißen Sei- te des Wärmetauschers 27 in Fluidverbindung. Stromabwärts des Wärmetauschers 27 ist der weitere Wärmetauscher 27 angeordnet. Genauer gesagt stehen ein Flu- idausgang des Wärmetauschers 27 und eine heiße Seite des weiteren Wärmetau- schers 26 über einen entsprechenden Fluideingang des weiteren Wärmetauschers 26 in Fluidverbindung. Die heiße Seite des weiteren Wärmetauschers 26 bzw. der entsprechende Fluidausgang des weiteren Wärmetauschers 26 steht mit den Katho- denabschnitten 2 der Brennstoffzellenstapel 1 in Fluidverbindung.
Stromaufwärts des Kathodengasgebläses 7 ist in einem weiteren Kühlfluidleitab- schnitt, der zumindest teilweise parallel zum Kühlfluidleitabschnitt 25 verläuft, eine ergänzende Kühleinheit 28 zum Kühlen von Umgebungsluft angeordnet. Über die Kühleinheit kann die gekühlte Umgebungsluft oder ein anderes gekühltes sauerstoff- haltiges Fluid direkt dem stromabwärts der Kühleinheit 28 angeordneten Rückführ- gebläse 11 zugeführt werden. Flierzu ist stromabwärts der Kühleinheit 28 und ström- aufwärts des Rückführgebläses 11 in dem weiteren Kühlfluidleitabschnitt ein Kühlflu- idgebläse angeordnet. Mittels der Kühleinheit 28 und die darüber zugeführte Umge- bungsluft kann das Rückführgebläse 11 bei Bedarf besonders wirksam gekühlt wer- den.
Darüber hinaus kann in Fig. 3 erkannt werden, dass die Brennstoffquelle 13 strom- aufwärts des Nachbrenners 17 angeordnet ist und mit diesem zum Zuführen von Brennstoff entsprechend in Fluidverbindung steht. Gemäß der dargestellten Ausfüh- rungsform kann der Brennstoff von der Brennstoffquelle 13 über einen Startbrenner 29 dem Nachbrenner 17 zugeführt werden.
Neben der in Fig. 3 dargestellten getrennten Anordnung des Reformers 4 und des Nachbrenners 17 ist noch eine gekoppelte Bauweise dieser beiden Komponenten möglich. Insbesondere kann es von Vorteil sein, wenn der Reformer 4 mit dem Nachbrenner 17 thermisch gekoppelt ist. Flierzu könnten der Reformer 4 und der Nachbrenner 17 nebeneinander, insbesondere in direktem, mechanischen Kontakt miteinander angeordnet sein. Besonders bevorzugt könnte der Nachbrenner 17 ring- förmig um den Reformer 4 herum angeordnet sein.
Durch das dargestellte und erläuterte Rückführen des Anodenabgases wird Wasser, dass sich in dampfförmigen Anteilen im Anodenabgas befindet, zum Reformer 4 ge- führt. D.h., durch die Anodenabgasrückführung kann dem Reformer 4 Wasser zuge- führt werden. Hierdurch kann eine separate Wasserzufuhr zum Reformer 4 entspre- chend reduziert oder auf eine Solche zumindest zeitweise vollständig verzichtet wer- den.
In Fig. 4 ist ein Kraftfahrzeug 1000 mit einem wie vorstehend beschriebenen Brenn- stoffzellensystem 100 dargestellt. Das Brennstoffzellensystem 100 erzeugt die im Kraftfahrzeug 1000 erforderliche elektrische Energie. Das Kraftfahrzeug 1000 weist ferner einen Elektromotor 200 zum Antreiben des Kraftfahrzeugs 1000 unter zumin- dest teilweiser Verwendung der durch das Brennstoffzellensystem 100 erzeugten elektrischen Energie auf. Das Brennstoffzellensystem 100 des Kraftfahrzeugs 100 ist zum Durchführen des mit Bezug auf Fig. 1 erläuterten Verfahrens konfiguriert und ausgestaltet. Das Kraftfahrzeug 1000 kann nicht nur als rein elektrisches Kraftfahr- zeug 1000, sondern auch als elektrisches Hybridfahrzeug mit Brennkraftmaschine bereitgestellt werden. Die Erfindung lässt neben den dargestellten Ausführungsformen weitere Gestal- tungsgrundsätze zu. D.h., die Erfindung soll nicht auf die mit Bezug auf die Figuren erläuterten Ausführungsbeispiele beschränkt betrachtet werden.
Bezugszeichenliste
1 Brennstoffzellenstapel
2 Anodenabschnitt
3 Kathodenabschnitt
4 Reformer
5 Anodenzuführabschnitt
6 Anodenrückführabschnitt
7 Kathodengasgebläse
8 Wärmetauscher
9 erster Fluidleitabschnitt
10 zweiter Fluidleitabschnitt
11 Rückführgebläse
12 Verdampfer
13 Brennstoffquelle
14 Reformerzuführabschnitt
15 Zusammenführabschnitt
16 Gabelabschnitt
17 Nachbrenner
18 erster Fluideingang
19 zweiter Fluideingang
20 Fluidausgang
21 poröse Trennschicht
22 Anodenabgaseingang
23 Anodenabgasausgang
24 Gebläseabschnitt
25 Kühlfluidleitabschnitt
26 Wärmetauscher
27 Wärmetauscher
28 Kühleinheit
29 Startbrenner
100 Brennstoffzellensystem

Claims

Patentansprüche
1. Brennstoffzellensystem (100), aufweisend: zumindest einen Brennstoffzellenstapel (1 ) mit einem Anodenabschnitt (2) und einem Kathodenabschnitt (3), einen Anodenzuführabschnitt (5) zum Zuführen von reformiertem Anodenzu- führgas von einem Reformer (4) zu dem Anodenabschnitt (2), den Reformer (4) zum Reformieren von Reformerzuführgas, einen Reformerzuführabschnitt (14) zum Zuführen des Reformerzuführgases zu dem Reformer (4), einen Anodenrückführabschnitt (6) zum Rückführen von Anodenabgas zur Wie- derverwendung im Anodenabschnitt (2), einen Wärmetauscher (8) mit einem ersten Fluidleitabschnitt (9) zum Leiten des Anodenabgases und einem zweiten Fluidleitabschnitt (10) zum Leiten des Re- formerzuführgases, wobei der erste Fluidleitabschnitt (9) und der zweite Fluid- leitabschnitt (10) innerhalb des Wärmetauschers (8) zumindest abschnittsweise für eine Wärmeübertragung zwischen dem Anodenabgas und dem Reformerzu- führgas miteinander in wärmeübertragender Verbindung stehen, und einen Gebläseabschnitt (24) stromabwärts des ersten Fluidleitabschnitts (9) und stromaufwärts des zweiten Fluidleitabschnitts (10) mit einem darin angeordne- ten Rückführgebläse (11 ) zum Führen des Anodenabgases von dem ersten Flu- idleitabschnitt (9) über den Gebläseabschnitt (24) zum zweiten Fluidleitabschnitt (10), einen Kühlfluidleitabschnitt (25) zum Zuführen eines Kühlfluids in den Gebläse- abschnitt (24) stromaufwärts des Rückführgebläses (11 ) zum Kühlen des Ano- denabgases im Gebläseabschnitt (24) stromaufwärts des Rückführgebläses (1 1 ),
eine Brennstoffquelle (13), die stromaufwärts des Wärmetauschers (8) ange- ordnet ist, und einen in den Wärmetauscher (8) integrierten Verdampfer (12) zum Verdampfen von Brennstoff von der Brennstoffquelle (13).
2. Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
stromaufwärts des Kühlfluidleitabschnitts (25) ein Kathodengasgebläse (7) zum Zuführen des Kühlfluids in Form von Kathodenzuführgas in den Kühlfluidleitab- schnitt (25), angeordnet ist.
3. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
der zweite Fluidleitabschnitt (10) einen ersten Fluideingang (18) zum Einbringen des rückgeführten Anodenabgases und/oder des Kühlfluids in den zweiten Flu- idleitabschnitt (10), einen zweiten Fluideingang (19) zum Einbringen von ver- dampftem Brennstoff in den zweiten Fluidleitabschnitt (10), und einen Fluidaus- gang (20) zum Ausgeben eines Fluidgemisches in Form des Reformerzuführ- gases aus dem rückgeführten Anodenabgas, dem Kühlfluid und/oder dem ver- dampften Brennstoff aufweist, wobei innerhalb des zweiten Fluidleitabschnitts (10) eine poröse Trennschicht (21 ) ausgestaltet ist, durch welche verdampfter Brennstoff zum Vermengen mit dem rückgeführten Anodenabgas und/oder dem Kühlfluid strömbar ist.
4. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
der erste Fluidleitabschnitt (9) und der zweite Fluidleitabschnitt (10) innerhalb des Wärmetauschers (8) zum zueinander gegenläufigen Führen des Ano- denabgases und des Reformerzuführgases zumindest abschnittsweise zuei- nander gegenläufig ausgestaltet sind.
5. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
im Anodenrückführabschnitt (6) ein Gabelabschnitt (16) zum Abzweigen eines Teils des Anodenabgases in Richtung des ersten Fluidleitabschnitts (9) und ei- nes anderen Teils des Anodenabgases in Richtung eines Nachbrenners (17) des Brennstoffzellensystems (100) angeordnet ist.
6. Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems nach einem der voran- stehenden Ansprüche, wobei mittels des Rückführgebläses (11 ) gleichzeitig das Anodenabgas durch den ersten Fluidleitabschnitt (9) gesaugt und anschließen über das Rückführgebläse (11 ) durch den zweiten Fluidleitabschnitt (10), und das Kühlfluid über das Rückführgebläse (11 ) durch den zweiten Fluidleitab- schnitt (10), in Richtung des Reformers (4) gefördert werden.
7. Verfahren nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Kühlfluid durch das Kathodengasgebläse (7) in Form von Umgebungsluft aus der Umgebung des Brennstoffzellensystems (100) in den Kühlfluidleitab- schnitt (25) gefördert wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
dem Verdampfer (12) aus der Brennstoffquelle (13) Brennstoff zugeführt wird, der überwiegend, insbesondere mehr als 80%, kohlenwasserstoffhaltigen Brennstoff aufweist.
9. Kraftfahrzeug (1000) mit einem Brennstoffzellensystem (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zur Bereitstellung elektrischer Energie und wenigstens einem Elektromotor (200) zum Antreiben des Kraftfahrzeugs (1000) unter zumindest teilweiser Verwendung der elektrischen Energie, die durch das Brennstoffzel- lensystem (100) bereitgestellt wird, wobei das Brennstoffzellensystem (100) zum Durchführen eines Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8 konfigu- riert und ausgestaltet ist.
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