WO2023081952A2 - Brennstoffzellensystem - Google Patents

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WO2023081952A2
WO2023081952A2 PCT/AT2022/060395 AT2022060395W WO2023081952A2 WO 2023081952 A2 WO2023081952 A2 WO 2023081952A2 AT 2022060395 W AT2022060395 W AT 2022060395W WO 2023081952 A2 WO2023081952 A2 WO 2023081952A2
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heat exchanger
fuel
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fuel cell
cell system
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Raphael NEUBAUER
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Avl List Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a fuel cell system, in particular an SOFC system, comprising at least one fuel cell stack with an anode section and a cathode section, an air supply section, a fuel supply section and a recirculation section, a heat exchanger network having at least a first heat exchanger and a second heat exchanger being provided, the second Heat exchanger is arranged downstream of the first heat exchanger.
  • the invention further relates to the use of such a fuel cell system.
  • SOFC systems are known from the prior art.
  • This recirculation can be implemented with hot gas blowers, for example.
  • the technical implementation and also the service life of the hot gas blower is problematic. This is because anode waste gas in a high-temperature fuel cell system, in particular a SOFC system, has a temperature between 500.degree. C. and 1000.degree.
  • many fuel cell systems require a protective gas to protect the fuel cell stack, in particular the fuel electrode, from degradation during the heating process. It may be necessary to introduce heat into the system, which is not trivial since there are very different temperature requirements in the fuel cell system.
  • the object of the invention is to provide a fuel cell system which can be operated particularly efficiently, in which in particular a fan in a recirculation section can be operated without any problems.
  • Another aim is to specify a use of such a fuel cell system.
  • the object is achieved according to the invention in that, in a fuel cell system of the type mentioned at the outset, a cold side of the first heat exchanger is arranged in the fuel feed section and a cold side of the second heat exchanger is arranged in the air feed section.
  • An advantage achieved in this way can be seen in particular in the fact that due to the special arrangement of the heat exchanger network, so much heat is extracted from the anode waste gas that a temperature of the anode waste gas to be recirculated is at least still above a condensate temperature.
  • the arrangement of the at least two heat exchangers allows the temperature in the recirculation section and/or in the fuel feed section to be regulated.
  • the first heat exchanger is designed in particular as a fuel/fuel heat exchanger and the second heat exchanger is designed as an air/fuel heat exchanger.
  • the respective warm sides of the heat exchangers are advantageously part of the recirculation section and/or the fuel feed section.
  • the warm side of the first heat exchanger is advantageously arranged in all configurations in the recirculation section, with the warm side of the second heat exchanger being arranged either in the recirculation section or in the fuel feed section.
  • the fuel cell system is designed in particular as a high-temperature fuel cell system and preferably as an SOFC system.
  • the recirculation section serves to recirculate anode exhaust gas as recirculation gas from the anode section of the fuel cell stack of the fuel cell system.
  • the recirculation section is equipped in particular with a recirculation line, which is connected in particular to the anode section in a fluid-communicating manner.
  • the recirculation section is integrated in the fuel cell system.
  • the warm side of the first heat exchanger is located in the recirculation section, while the cold side of the first heat exchanger is located in the fuel supply section.
  • an air supply section is provided, via which air can be conveyed from an air source in the direction of the cathode section.
  • air is to be understood as meaning an oxygen-containing gas.
  • the fuel cell system also has a fuel feed section, via which fuel can be conveyed from a fuel source in the direction of the anode section.
  • a carbon-containing gas such as methane or ethane, natural gas or else hydrogen can be used as fuel, for example.
  • a liquid fuel can also be used.
  • Fuel cell system preferably further components are provided, such as a reformer or a reformer heat exchanger, which reforms fuel for conversion in the anode section, catalysts, for example in an exhaust pipe, for converting remaining fuel to parts in the exhaust gas or other heat exchanger devices.
  • a reformer or a reformer heat exchanger which reforms fuel for conversion in the anode section, catalysts, for example in an exhaust pipe, for converting remaining fuel to parts in the exhaust gas or other heat exchanger devices.
  • a dividing device is preferably provided downstream of the fuel cell stack, which divides the exhaust gas into the recirculation section and into an exhaust gas line.
  • An oxidation catalytic converter for converting remaining fuel components in the exhaust gas or for thermal utilization and a further heat exchanger designed as an air/air heat exchanger for dissipating heat to the air supply section are preferably provided in the exhaust gas line.
  • the other part is returned to the fuel cell stack via the recirculation section in order to increase fuel utilization and thus the electrical efficiency of the fuel cell system.
  • exhaust gas is conducted, which is conducted successively through the first and second heat exchangers, giving off heat to the fuel feed section via the first heat exchanger and heat to the air feed section via the second heat exchanger.
  • a fan is arranged in the recirculation section or in the fuel feed section, in particular downstream of the second heat exchanger.
  • the fan is preferably designed as a recirculation fan and is arranged and designed to convey the exhaust gas in the recirculation section back in the direction of the fuel cell stack.
  • the first heat exchanger is designed to reduce a temperature of the recirculated exhaust gas, so that the fan no longer has to be designed as a hot gas fan. A large part of the heat is already extracted from the recirculated exhaust gas by the first heat exchanger.
  • the exhaust gas typically has a temperature in the range of 500°C to 1000°C at an outlet of the fuel cell stack. After the recirculation fan, the recirculated exhaust gas is brought back up to temperature via the first heat exchanger and fed back to the fuel cell stack, in particular via a reformer.
  • fresh fuel is combined with the recirculated exhaust gas and downstream of a corresponding fluidic connection between see the recirculated exhaust gas and the fuel in the fuel supply section led to the anode section.
  • the blower is arranged downstream of such a fluidic connection, it is nevertheless advantageously referred to as a recirculation blower within the scope of the invention, since this is designed and arranged to convey in particular the exhaust gas to be recirculated.
  • a bypass line is provided in the air supply section, through which the cold side of the second heat exchanger can be bypassed.
  • the second heat exchanger is designed and arranged in particular as a fuel/air heat exchanger and cools the recirculated anode waste gas to a desired, predetermined temperature.
  • a heat sink is designed by the cool air.
  • the bypass line is provided in the air supply section.
  • the division between the bypass line and the second heat exchanger is set here by suitable actuators in the air supply section, as a result of which the temperature in the recirculation section can be regulated.
  • the arrangement of the two heat exchangers in combination with the bypass line has the advantage that the temperature at an inlet of the blower can always be adjusted between a maximum value and a minimum value, even in the case of different operating states.
  • a temperature between 80° C. and 250° C., for example, has proven to be a reasonable temperature.
  • the fuel feed section includes a fuel line, with the fuel line upstream of the first heat exchanger
  • Fuel can be fed to the recirculation section.
  • Fresh fuel is thus introduced into the recirculation section via a fluidic connection between the fuel feed section and the recirculation section.
  • a corresponding section downstream of this connection is advantageously also referred to as a fuel feed section.
  • the fuel is fed into the recirculation section upstream of the second heat exchanger and downstream of the first heat exchanger, with these two fluids then preferably being conducted further in the fuel feed section.
  • the fuel can be sucked in by the blower when its supply pressure is too low, with z.
  • a valve and mass flow measurement can be provided.
  • the introduction of fuel upstream of the second heat exchanger reduces the risk of local condensation, since the exhaust gas in the recirculation section is still hot enough to warm up the fresh fuel without dropping below a condensation temperature.
  • the condensation temperature of the exhaust gas in the recirculation section is around 80 °C, but depends on the recirculation rate and fuel utilization at the fuel cell stack.
  • the second heat exchanger is arranged with its warm side in the fuel feed section and with its cold side in the air feed section.
  • the fuel feed section includes a fuel line, fuel being able to be fed to the recirculation section via the fuel line between the second heat exchanger and the blower.
  • fresh fuel is introduced into the recirculation section via a fluidic connection between the fuel supply section and the recirculation section downstream of the second heat exchanger and upstream of the fan.
  • a corresponding section downstream of this connection is advantageously also referred to as a fuel feed section.
  • This arrangement is particularly advantageous when a supply pressure of the fresh fuel is low and no local condensation occurs.
  • the second heat exchanger is arranged with its warm side in the recirculation section and with its cold side in the air supply section.
  • the fuel feed section includes a fuel line, fuel being able to be fed to the recirculation section via the fuel line between the blower and the first heat exchanger.
  • fresh fuel is introduced into the recirculation section via a fluidic connection between the fuel supply section and the recirculation section downstream of the blower and upstream of the first heat exchanger.
  • a corresponding section downstream of this connection is advantageously also referred to as a fuel feed section.
  • MFC mass flow controller
  • a cathode discharge line and an anode discharge line are provided. These are preferably designed separately from one another, so that there is no common exhaust line from the fuel cell stack.
  • the anode discharge line is divided into the recirculation section and an exhaust gas line by a dividing device downstream of the fuel cell stack, with exhaust gas being discharged to the environment via the exhaust gas line in which at least one oxidation catalyst is arranged.
  • an oxidation catalytic converter is arranged downstream of the fuel cell stack, with part of an exhaust gas being able to be fed to the oxidation catalytic converter.
  • both anode exhaust gas and cathode exhaust gas can be fed to the oxidation catalytic converter, in particular via two separate lines.
  • a further heat exchanger is preferably arranged downstream of the oxidation catalytic converter, via which heat that is still present in the exhaust gas is given off to the air which is conveyed to the cathode section. The cold side of this heat exchanger is therefore arranged in the air supply section.
  • a reformer heat exchanger is provided, with a hot side of the reformer heat exchanger being arranged in the cathode discharge line. This means that the reformer is heated to operating temperature by the hot cathode exhaust gas. temperature brought. Downstream of the reformer heat exchanger, the cathode exhaust gas is then fed to the oxidation catalytic converter as described.
  • the reformer heat exchanger thus comprises a cold side upstream of the anode section, which forms a reformer, and a hot side downstream of the cathode section, which forms a heat exchanger.
  • the starting burner can advantageously be designed, for example, as a flame burner, as a catalytic burner or as a hybrid burner (combined catalytically with a flame). It can also be favorable if the starting burner is integrated into an oxidation catalytic converter or is designed in combination with this.
  • the heat released by the star burner can advantageously be introduced into the system at various points, for example into a cathode exhaust gas line directly downstream of the cathode section, into the air supply line or directly into or downstream of the oxidation catalyst. The location of the starting burner depends on individual component specifications such as temperature limits, compatibility with combustion exhaust gases, and the like.
  • a reformer for producing protective gas by catalytic partial oxidation.
  • CPOX reformer catalytic partial oxidation
  • the resulting protective gas can advantageously be introduced before or after the reformer.
  • Introduction before or downstream of the reformer has the following advantages:
  • the protective gas from the CPOX reformer is typically warmer than 600 °C. In order to be able to comply with any temperature limitations, it is tempered in the reformer upstream of the fuel cell stack in order to protect the fuel cell stack from excessively high inlet temperatures.
  • the protective gas can also be used to activate e.g. B. Ni-based catalysts can be used in the reformer. If both the temperature and the activation of the reformer are not a problem, the protective gas can advantageously also be introduced directly in front of the fuel cell stack.
  • the CPOX reformer can alternatively also be integrated into the general reformer. This has the following advantages: No additional fuel line and no additional reformer are required.
  • the warming up takes place via the light-off temperature via the fuel cell system internally via the hot cathode exhaust gas itself, with the light-off temperature being in the range between 250 °C and 500 °C.
  • the exothermic CPOX reaction > 600°C
  • the catalyst is actively cooled (cathode exhaust gas temperature is usually below 600°C in the heating process, e.g. in metal-based fuel cell stacks).
  • the reformer catalyst should be designed both for CPOX reforming and for steam reforming. This can preferably be achieved via a two-stage reformer (e.g. a noble metal catalyst followed by a Ni-based catalyst) or via a correspondingly robust single-stage catalyst.
  • a fuel cell system according to the invention is advantageously used as a stationary system or in a motor vehicle.
  • the fuel cell system according to the invention can advantageously also be used in marine applications or aircraft. Further advantages, features and details of the invention result from the following description, in which exemplary embodiments of the invention are described in detail with reference to the drawing. It shows schematically:
  • FIG. 1a shows a schematic representation of a fuel cell system according to the invention
  • FIG. 1b shows a schematic representation of a further fuel cell system according to the invention
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a further fuel cell system according to the invention
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a further fuel cell system according to the invention.
  • FIG. 1a shows a fuel cell system 1 according to the invention with a fuel cell stack 2 comprising an anode section 3 and a cathode section 4.
  • An air source 19 is provided, to which an air supply section 5 is connected in order to convey air in the direction of the cathode section 4.
  • a fuel source 20 is also provided, to which a fuel supply section 6 with a fuel line 12 is connected in order to convey fuel in the direction of the anode section 3 .
  • the fuel cell system 1 also includes a recirculation section 7, via which exhaust gas from the anode section 3 is conveyed back in the direction of the anode section 3 by a blower 10.
  • a first dividing device 21 is provided downstream of the fuel cell stack 2 , via which the anode exhaust gas can be divided into the recirculation section 7 and into an exhaust gas line 22 .
  • the first heat exchanger 8 is arranged upstream of the second heat exchanger 9 , with a hot side of the first heat exchanger 8 being arranged in the recirculation section 7 and a cold side of the first heat exchanger 8 being arranged in the fuel supply section 6 . Heat is thus extracted from the hot anode waste gas and the first heat exchanger 8 is designed as a fuel/fuel heat exchanger.
  • the fan 10, which as a recirculation fan is formed is arranged between the first heat exchanger 8 and the second heat exchanger 9 and designed to promote the anode exhaust gas.
  • a fluidic connection 23 is provided between the recirculation section 7 and the fuel feed section 6 upstream of the second heat exchanger 9 , so that fresh fuel can be introduced into the recirculation section 7 via the fuel line 12 .
  • the fresh fuel is now conveyed in the direction of the anode section 3 together with the recirculated exhaust gas in the fuel feed section 6 .
  • this fuel is now passed through the cold side of the first heat exchanger 8, as a result of which it is heated again.
  • a reformer heat exchanger 16 which prepares the fuel for use in the anode section 3 , is arranged upstream of the anode section 3 and downstream of the cold side of the first heat exchanger 8 . Cathode waste gas is supplied to the reformer heat exchanger 16 via the cathode discharge line 13 in order to heat up the corresponding reformer section.
  • the air supply section 5 has a bypass line 11 via which the second heat exchanger 9 can be bypassed.
  • a branch 24 from which the bypass line 11 branches off, and downstream of the second heat exchanger 9, a connection 25, at which the bypass line 11 reconnects, is provided.
  • a further heat exchanger 26 is provided downstream of the connection 25, the cold side of which is arranged in the air supply line and the warm side of which is arranged in the exhaust line 22, so that the hot exhaust gas transfers heat to the air for use in the cathode section 4.
  • the further heat exchanger 26 is thus designed and arranged as an air/air heat exchanger.
  • An oxidation catalytic converter 15 is arranged in the exhaust gas line 22, with both the exhaust gas line and the cathode discharge line 13 (downstream of the reformer heat exchanger 16) leading into it.
  • Anode exhaust gas is therefore burned with supply of cathode exhaust gas.
  • the combusted exhaust gas is then discharged to the environment 27 via the additional heat exchanger 26 .
  • the fuel cell system 1 according to FIG. 1a further includes a starting burner 17, to which both fuel from the fuel source 20 and air from the air source 19 are supplied.
  • the start burner 17 is used to heat up the fuel cell system 1 arranged and formed.
  • the heat is supplied, for example, directly to the oxidation catalytic converter 15 (solid line) or the exhaust gas line 22 downstream thereof or the air supply line 5 or the cathode exhaust air line 13 (each represented by dashed lines).
  • a reformer 18 for producing protective gas by catalytic partial oxidation is provided.
  • CPOX reformer catalytic partial oxidation
  • both fuel and air are also supplied to this. Since a certain light-off temperature is required in order to bring the CPOX reformer up to operating temperature, a supply of heat Q to the reformer 18 is provided.
  • a so-called protective gas is produced by the reformer 18 or the reaction taking place therein, which gas can be supplied, for example, upstream or downstream of the reformer heat exchanger 16 in order to protect the fuel cell stack 2 in particular.
  • FIG. 1b shows another fuel cell system 1 according to the invention. Elements which have the same function and in particular the same arrangement as those according to FIG. 1a also have the same reference symbols and are not described further.
  • the reformer heat exchanger 16 is designed both for CPOX and for steam reforming.
  • FIG. 2 shows another fuel cell system 1 according to the invention.
  • elements which have the same function and in particular the same arrangement as those according to FIG. 1a or 1b have the same reference symbols and are not described further.
  • the fluidic connection 23 between the fuel supply section 12 and the recirculation section 7 is arranged downstream of the second heat exchanger 9 and upstream of the blower 10 here.
  • the starting burner 17 and the CPOX reformer are not shown in FIG.
  • the fuel cell system 1 according to FIG. 2 can also include these elements.
  • FIG. 3 shows another fuel cell system 1 according to the invention.
  • elements which have the same function and in particular the same arrangement as those according to FIG. 1a, 1b or 2 have the same reference symbols and are used not further described.
  • the fluidic connection 23 between the fuel supply section 12 and the recirculation section 7 is arranged downstream of the blower 10 and upstream of the first heat exchanger 8 here.
  • the starting burner 17 and the CPOX reformer are not shown in FIG. 3 either.
  • the fuel cell system 1 according to FIG. 2 can also include these elements.
  • the fuel cell system according to the invention has the following advantages in particular:

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem (1), insbesondere SOFC-System, umfassend zumindest einen Brennstoffzellenstapel (2) mit einem Anodenabschnitt (3) und einem Kathodenabschnitt (4), einen Luftzuführabschnitt (5), einen Brennstoffzuführabschnitt (6) und einen Rezirkulationsabschnitt (7), wobei ein Wärmetauschernetzwerk mit zumindest einem ersten Wärmetauscher (8) und einem zweiten Wärmetauscher (9) vorgesehen ist, wobei der zweite Wärmetauscher (9) stromabwärts des ersten Wärmetauschers (8) angeordnet ist, wobei eine kalte Seite des ersten Wärmetauschers (8) im Brennstoffzuführabschnitt (6) und eine kalte Seite des zweiten Wärmetauscher (9) im Luftzuführabschnitt (7) angeordnet ist. Weiter betrifft die Erfindung eine Verwendung eines solchen Brennstoffzellensystems (1).

Description

Brennstoffzellensystem
Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, insbesondere ein SOFC-System, umfassend zumindest einen Brennstoffzellenstapel mit einem Anodenabschnitt und einem Kathodenabschnitt, einen Luftzuführabschnitt, einen Brennstoffzuführabschnitt und einen Rezirkulationsabschnitt, wobei ein Wärmetauschernetzwerk mit zumindest einem ersten Wärmetauscher und einem zweiten Wärmetauscher vorgesehen ist, wobei der zweite Wärmetauscher stromabwärts des ersten Wärmetauschers angeordnet ist.
Weiter betrifft die Erfindung eine Verwendung eines solchen Brennstoffzellensystems.
SOFC-Systeme sind aus dem Stand der Technik bekannt. Um die Effizienz eines SOFC-Systems zu erhöhen ist es bekannt, heißes Anodenabgas zu rezirkulieren und damit auch die Brennstoffausnutzung des Systems zu erhöhen. Diese Rezirkulation kann beispielsweise mit Heißgasgebläsen umgesetzt werden. Hierbei ist die technische Umsetzung und auch die Lebensdauer des Heißgasgebläses jedoch problematisch. Anodenabgas in einem Hochtemperatur-Brennstoffzellensystem, insbesondere einem SOFC-System weist nämlich eine Temperatur zwischen 500 °C und 1000 °C. Darüber hinaus benötigen viele Brennstoffzellensysteme ein Schutzgas, um den Brennstoffzellenstapel, insbesondere die Brennstoffelektrode, vor Degradation während des Aufheizvorganges zu schützen. Dabei kann es notwendig sein Wärme in das System einzubringen, was nicht trivial, da es im Brennstoffzellensystem sehr unterschiedliche Temperaturanforderungen gibt.
Hier setzt die Erfindung an. Aufgabe der Erfindung ist es, ein Brennstoffzellensystem bereitzustellen, welches besonders effizient betreibbar ist, in welchem insbesondere ein Gebläse in einem Rezirkulationsabschnitt problemlos betreibbar ist.
Weiter ist es ein Ziel, ein eine Verwendung eines solchen Brennstoffzellensystems anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass bei einem Brennstoffzellensystem der eingangs genannten Art eine kalte Seite des ersten Wärmetauschers im Brennstoffzuführabschnitt und eine kalte Seite des zweiten Wärmetauscher im Luftzuführabschnitt angeordnet ist. Ein dadurch erzielter Vorteil ist insbesondere darin zu sehen, dass durch die spezielle Anordnung des Wärmetauschernetzwerkes dem Anodenabgas so viel Wärme entzogen wird, dass eine Temperatur des zu rezirkulierenden Anodenabgases zumindest noch über einer Kondensattemperatur liegt. Durch die Anordnung der zumindest zwei Wärmetauscher ist die Temperatur im Rezirkulationsabschnitt und/oder im Brennstoffzuführabschnitt regelbar. Der erste Wärmetauscher ist insbesondere als Brennstoff/Brennstoff-Wärmetauscher und der zweite Wärmetauscher als Luft/Brennstoffwärmetauscher ausgebildet.
Die jeweiligen warmen Seiten der Wärmetauscher sind vorteilhaft Teil des Rezirkula- tionsabschnittes und/oder des Brennstoffzuführabschnittes. Dabei ist die warme Seite des ersten Wärmetauscher vorteilhaft bei allen Ausgestaltungen im Rezirkulationsabschnitt angeordnet, wobei die warme Seite des zweiten Wärmetauschers entweder im Rezirkulationsabschnitt oder im Brennstoffzuführabschnitt angeordnet ist.
Das Brennstoffzellensystem ist insbesondere als Hochtemperatur- Brennstoffzellensystem und bevorzugt als SOFC-System ausgebildet.
Der Rezirkulationsabschnitt dient der Rezirkulation von Anodenabgas als Rezirkula- tionsgas aus dem Anodenabschnitt des Brennstoffzellenstapels des Brennstoffzellensystems. Hierfür ist der Rezirkulationsabschnitt insbesondere mit einer Rezirkula- tionsleitung ausgestattet, welche insbesondere fluidkommunizierend mit dem Anodenabschnitt verbunden ist. Der Rezirkulationsabschnitt ist im Brennstoffzellensystem eingebunden.
Die warme Seite des ersten Wärmetauschers ist im Rezirkulationsabschnitt abgeordnet, wobei die kalte Seite des ersten Wärmetauschers im Brennstoffzuführabschnitt angeordnet ist.
Beim Brennstoffzellensystem gemäß der Erfindung ist ein Luftzuführabschnitt vorgesehen, über weichen Luft von einer Luftquelle in Richtung des Kathodenabschnittes förderbar ist. Unter Luft ist im Rahmen der Erfindung ein sauerstoffhaltiges Gas zu verstehen. Weiter weist das Brennstoffzellensystem einen Brennstoffzuführabschnitt, über weichen Brennstoff von einer Brennstoffquelle in Richtung des Anodenabschnittes förderbar ist. Als Brennstoff kann beispielsweise ein kohlenstoffhaltiges Gas wie Methan oder Ethan, Erdgas oder auch Wasserstoff eingesetzt werden. Grundsätzlich kann auch ein flüssiger Brennstoff verwendet werden. Selbstverständlich sind im Brennstoffzellensystem vorzugsweise weitere Bauteile vorgesehen, beispielsweise ein Reformer oder ein Reformerwärmetauscher, welcher Brennstoff für die Umsetzung im Anodenabschnitt reformiert, Katalysatoren, beispielsweise in einer Abgasleitung, zum Umsetzten verbleibender Brenn Stoff an teile im Abgas oder weitere Wärmetauschervorrichtungen.
Bevorzugt ist stromabwärts des Brennstoffzellenstapels eine Aufteilvorrichtung vorgesehen, welche dem Aufteilen des Abgases in den Rezirkulationsabschnitt und in eine Abgasleitung dient. In der Abgasleitung ist bevorzugt ein Oxidationskatalysator zum Umsetzten verbleibender Brennstoffanteile im Abgas bzw. zur thermischen Verwertung und ein weiterer als Luft/Luft-Wärmetauscher ausgebildeter Wärmetauscher zum Abgeben von Wärme an den Luftzuführabschnitt vorgesehen. Der andere Teil wird über den Rezirkulationsabschnitt wieder dem Brennstoffzellenstapel zugeführt, um die Brennstoffausnutzung und damit den elektrischen Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems zu erhöhen.
Im Rezirkulationsabschnitt wird Abgas geführt, welches nacheinander durch den ersten und den zweiten Wärmetauscher geführt wird, wobei dieses über den ersten Wärmetauscher Wärme an den Brennstoffzuführabschnitt und über den zweiten Wärmetauscher Wärme an den Luftzuführabschnitt abgibt.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn im Rezirkulationsabschnitt oder im Brennstoffzuführabschnitt ein Gebläse, insbesondere stromabwärts des zweiten Wärmetauschers, angeordnet ist. Das Gebläse ist bevorzugt als Rezirkulationsgebläse ausgebildet und zur Förderung des Abgases im Rezirkulationsabschnitt wieder in Richtung des Brennstoffzellenstapels angeordnet und ausgebildet. Der erste Wärmetauscher ist dazu ausgebildet, eine Temperatur des rezirkulierten Abgases zu reduzieren, sodass das Gebläse nicht mehr als Heißgasgebläse ausgebildet werden muss. Durch den ersten Wärmetauscher wird dem rezirkulierten Abgas bereits ein großer Teil der Wärme entzogen. Das Abgas hat an einem Auslass des Brennstoffzellenstapels üblicherweise eine Temperatur im Bereich von 500 °C bis 1000 °C. Nach dem Rezirkulationsgebläse wird das rezirkulierte Abgas wieder über den ersten Wärmetauscher auf Temperatur gebracht und dem Brennstoffzellenstapel, insbesondere über einen Reformer, wieder zugeführt.
Gemäß der Erfindung wird frischer Brennstoff mit dem rezirkulierten Abgas zusammengeführt und stromabwärts einer entsprechenden fluidischen Verbindung zwi- sehen dem rezirkulierten Abgas und dem Brennstoff im Brennstoffzuführabschnitt zum Anodenabschnitt geführt. Ist das Gebläse stromabwärts einer solchen fluidischen Verbindung angeordnet, wird dieses im Rahmen der Erfindung trotzdem als vorteilhalft als Rezirkulationsgebläse bezeichnet, da dieses zur Förderung insbesondere des zu rezirkulierenden Abgases ausgebildet und angeordnet ist.
Es ist weiter günstig, wenn im Luftzuführabschnitt eine Bypassleitung vorgesehen ist, durch welche die kalte Seite des zweiten Wärmetauschers umgehbar ist. Der zweite Wärmetauscher ist insbesondere als Brennstoff/Luft-Wärmetauscher ausgebildet und angeordnet und kühlt das rezirkulierte Anodenabgas auf eine gewünschte, vorgegebene Temperatur ab. Eine Wärmesenke ist dabei durch die kühle Luft ausgestaltet. Dies bringt den Vorteil, dass das rezirkulierte Anodenabgas bis auf die Kondensationstemperatur abgekühlt werden kann und die von der Luft aufgenommene Wärme über die Luftzuführleitung wieder in das System eingetragen wird. Dadurch sind die Wirkungsgradanforderungen an den ersten Wärmetauscher durch den zweiten Wärmetauscher entschärft, wodurch der erste Wärmetauscher kleiner und kostengünstiger ausgebildet werden kann. Um die Temperatur des Anodenabgases im Rezirkula- tionsabschnitt (entspricht dem rezirkulierten Anodenabgas) regeln zu können, ist im Luftzuführabschnitt die Bypassleitung vorgesehen. Durch geeignete Aktuatoren im Luftzuführabschnitt ist hier die Aufteilung zwischen der Bypassleitung und dem zweiten Wärmetauscher eingestellt, wodurch die Temperatur im Rezirkulationsabschnitt regelbar ist.
Die Anordnung der beiden Wärmetauscher in Kombination mit der Bypassleitung bringen den Vorteil mit sich, dass auch bei unterschiedlichen Betriebszuständen die Temperatur an einem Einlass des Gebläses immer zwischen einem Maximalwert und einem Minimalwert einregelbar ist. Als sinnvolle Temperatur hat sich dabei beispielsweise eine Temperatur zwischen 80 °C und 250 °C herausgestellt.
Von Vorteil ist es, wenn beim erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem frischer Brennstoff in den Rezirkulationsabschnitt einbringbar ist, wofür der Brennstoffzuführabschnitt und er Rezirkulationsabschnitt fluidisch miteinander verbunden sind. Bevorzugt wird die Leitung oder die Leitungen stromabwärts einer solchen fluidischen Verbindung als Brennstoffzuführabschnitt bezeichnet.
Zweckmäßig ist es, wenn der Brennstoffzuführabschnitt eine Brennstoffleitung umfasst, wobei über die Brennstoffleitung stromaufwärts des ersten Wärmetauschers Brennstoff dem Rezirkulationsabschnitt zuführbar ist. Es wird also frischer Brennstoff über eine fluidische Verbindung zwischen dem Brennstoffzuführabschnitt und dem Rezirkulationsabschnitt in den Rezirkulationsabschnitt eingebracht. Stromabwärts dieser Verbindung wird ein entsprechender Abschnitt vorteilshaft auch als Brennstoffzuführabschnitt bezeichnet. Bei dieser Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass der Brennstoff stromaufwärts des zweiten Wärmetauscher und stromabwärts des ersten Wärmetauschers in den Rezirkulationsabschnitt zugeführt wird, wobei diese beiden Fluide dann bevorzugt im Brennstoffzuführabschnitt weiter geführt werden. Durch diese Anordnung kann der Brennstoff, wenn dessen Versorgungsdruck zu gering ist, durch das Gebläse angesaugt werden, wobei zur Regelung z. B. ein Ventil und Massenstrommessung vorgesehen sein kann. Weiter ist durch die Einbringung von Brennstoff stromaufwärts des zweiten Wärmetauschers (an dieser Stelle beträgt die Temperatur des Abgases im Rezirkulationsabschnitt noch etwa 200 °C) eine Gefahr von lokaler Kondensation verringert, da das Abgases im Rezirkulationsabschnitt noch heiß genug ist, um den frischen Brennstoff aufzuwärmen, ohne dadurch unter eine Kondensationstemperatur zu sinken. Die Kondensationstemperatur des Abgases im Rezirkulationsabschnitt beträgt etwa 80 °C, ist jedoch von einer Rezirkulati- onsrate und einer Brennstoffausnutzung am Brennstoffzellenstapel abhängig. Bei dieser Ausgestaltung ist der zweite Wärmetauscher mit seiner warmen Seite im Brennstoffzuführabschnitt und mit seiner kalten Seite im Luftzuführabschnitt angeordnet.
Alternativ kann es günstig sein, wenn der Brennstoffzuführabschnitt eine Brennstoffleitung umfasst, wobei über die Brennstoffleitung zwischen dem zweiten Wärmetauscher und dem Gebläse Brennstoff dem Rezirkulationsabschnitt zuführbar ist. Hierbei wird also frischer Brennstoff über eine fluidische Verbindung zwischen dem Brennstoffzuführabschnitt und dem Rezirkulationsabschnitt stromabwärts des zweiten Wärmetauschers und stromaufwärts des Gebläses in den Rezirkulationsabschnitt eingebracht. Stromabwärts dieser Verbindung wird ein entsprechender Abschnitt vorteilshaft auch als Brennstoffzuführabschnitt bezeichnet. Diese Anordnung ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn ein Versorgungsdruck des frischen Brennstoffes gering ist und keine lokale Kondensation auftritt. Bei dieser Ausgestaltung ist der zweite Wärmetauscher mit seiner warmen Seite im Rezirkulationsabschnitt und mit seiner kalten Seite im Luftzuführabschnitt angeordnet. Bei einer weiteren Ausgestaltungsvariante der Erfindung ist es vorteilhaft, wenn der Brennstoffzuführabschnitt eine Brennstoffleitung umfasst, wobei über die Brennstoffleitung zwischen dem Gebläse und dem ersten Wärmetauscher Brennstoff dem Re- zirkulationsabschnitt zuführbar ist. Hierbei wird also frischer Brennstoff über eine fluidische Verbindung zwischen dem Brennstoffzuführabschnitt und dem Rezirkulati- onsabschnitt stromabwärts des Gebläses und stromaufwärts des ersten Wärmetauschers in den Rezirkulationsabschnitt eingebracht. Stromabwärts dieser Verbindung wird ein entsprechender Abschnitt vorteilshaft auch als Brennstoffzuführabschnitt bezeichnet. Dies ist insbesondere dann günstig, wenn ein Brennstoffversorgungsdruck hoch genug ist, um z. B. über einen Massenstromregler (MFC) eingebracht zu werden. Da das Anodenabgas durch eine Kompression im Gebläse wieder erwärmt wird, ist das Risiko von lokaler Kondensation je nach Temperaturniveau wieder verringert. Bei dieser Ausgestaltung ist der zweite Wärmetauscher mit seiner warmen Seite im Rezirkulationsabschnitt und mit seiner kalten Seite im Luftzuführabschnitt angeordnet.
Günstig ist es, wenn eine Kathodenabführleitung und eine Anodenabführleitung vorgesehen ist. Bevorzugt sind diese getrennt voneinander ausgebildet, sodass keine gemeinsame Abgasleitung vom Brennstoffzellenstapel vorgesehen ist. Die Anodenabführleitung wird durch eine Aufteilvorrichtung stromabwärts des Brennstoffzellenstapels in den Rezirkulationsabschnitt und in eine Abgasleitung aufgeteilt, wobei Abgas über die Abgasleitung, in welcher zumindest ein Oxidationskatalysator angeordnet ist an die Umgebung abgegeben.
Es ist vorteilhaft, wenn stromabwärts des Brennstoffzellenstapels ein Oxidationskatalysator angeordnet ist, wobei dem Oxidationskatalysator ein Teil eines Abgases zuführbar ist. Besonders bevorzugt ist dem Oxidationskatalysator sowohl Anodenabgas als auch Kathodenabgas zuführbar, insbesondere über zwei getrennte Leitungen. Stromabwärts des Oxidationskatalysators ist bevorzugt ein weitere Wärmetauscher angeordnet, über welchem noch vorhandene Wärme des Abgases an die Luft, welche zum Kathodenabschnitt gefördert wird, abgegeben wird. Die kalte Seite dieses Wärmetauschers ist also im Luftzuführabschnitt angeordnet.
Zweckmäßig ist es, wenn ein Reformerwärmetauscher vorgesehen ist, wobei eine heiße Seite des Reformerwärmetauschers in der Kathodenabführleitung angeordnet ist. Das heißt, der Reformer wird durch das heiße Kathodenabgas auf Betriebstem- peratur gebracht. Stromabwärts des Reformerwärmetauschers wird das Katho- denabgas dann wie beschrieben dem Oxidationskatalysator zugeführt. Der Reformerwärmetauscher umfasst also eine kalte Seite stromaufwärts des Anodenabschnitts, die einen Reformer bildet, und eine heiße Seite stromabwärts des Katho- denabschnitts, die einen Wärmetauscher bildet. Es hat sich herausgestellt, dass es unter Abwägung verschiedener Faktoren durchaus möglich ist und auch von Vorteil sein kann, das Kathodenabgas vollständig dem Wärmetauscher am Reformer bzw. der heißen Seite des Reformerwärmetauschers zuzuführen. Zunächst ist es von Vorteil, dass keine Strömungsteiler stromabwärts des Kathodenabschnitts nötig sind. Strömungsteiler führen zu einem komplexen Systemaufbau, für welchen entsprechend komplexe Funktionsbauteile erforderlich sind. Diese sind nicht nur teuer, sondern schlagen sich auch im Gewicht nieder, welches es insbesondere bei mobilen Anwendungen stets zu reduzieren gilt. Darüber hinaus müssen durch die Verwendung von Strömungsteilern komplexe Steuerungs- und Regelungsschritte in das Brennstoffzellensystem implementiert werden. Darauf kann verzichtet werden, wenn das Kathodenabgas vom Kathodenabschnitt direkt und unverzweigt, also vollständig, zum Wärmetauscher am Reformer geleitet wird.
Vorteilhaft ist es, wenn ein Startbrenner vorgesehen ist. Durch den Startbrenner erfolgt ein Aufheizen des Brennstoffzellensystems. Der Startbrenner kann vorteilhaft beispielsweise als Flammenbrenner, als katalytischer Brenner oder als Hybridbrenner (katalytisch mit Flamme kombiniert) ausgeführt sein. Günstig kann es auch sein, wenn der Startbrenner in einen Oxidationskatalysator integriert oder kombiniert mit diesem ausgebildet ist. Die durch den Starbrenner freigesetzte Wärme kann mit Vorteil an verschiedenen Stellen in das System eingebracht werden, beispielsweise in eine Kathodenabgasleitung direkt stromabwärts des Kathodenabschnittes, in die Luftzuführleitung oder direkt in den Oxidationskatalysator oder stromabwärts davon. Die Anordnung des Startbrenner ist abhängig von einzelnen Komponentenspezifikationen wie Temperaturlimits, Verträglichkeit von Verbrennungsabgas, und Ähnliches.
Von Vorteil ist es, wenn ein Reformer zum Herstellen von Schutzgas durch katalytisch partielle Oxidation vorgesehen ist. Um ein geeignetes Schutzgas intern herzustellen hat sich ein Reformer zum Herstellen von Schutzgas durch katalytisch partielle Oxidation (CPOX-Reformer) bewährt. Dabei wird Luft und Brennstoff katalytisch zu einem Synthesegas umgesetzt. Diese Reaktion ist ein katalytischer Oxidationsprozess, welcher exotherm und damit selbsterhaltend ist. Allerdings muss vor der Reak- tion der Katalysator einmal über die sogenannte Light-off Temperatur gebracht werden. Dies wird vorteilhaft über eine Wärmequelle bewerkstelligt, wobei hier sowohl Wärme aus dem Brennstoffzellensystem (z. B. vom Startbrenner) als auch externe, elektrische oder thermische Energie wie Wärmeenergie verwendet werden kann. Sobald die CPOX-Reaktion (catalytic partial oxidation) gestartet ist wird diese zusätzliche Energie nicht mehr benötigt. Das dadurch entstehende Schutzgas kann vorteilhaft vor oder nach dem Reformer eingebracht werden. Ein Einbringen vor bzw. stromabwärts des Reformers hat folgende Vorteile: Das Schutzgas aus dem CPOX- Reformer ist typischerweise wärmer als 600 °C. Um etwaige Temperaturbegrenzung einhalten zu können, wird es im Reformer stromaufwärts des Brennstoffzellenstapels temperiert, um den Brennstoffzellenstapel vor zu hohen Einlasstemperaturen zu schützen. Darüber hinaus kann das Schutzgas auch für die Aktivierung von z. B. Ni- basierten Katalysatoren im Reformer verwendet werden. Sind sowohl Temperatur als auch Reformeraktivierung kein Problem, kann das Schutzgas vorteilhaft auch direkt vor dem Brennstoffzellenstapel eingebracht werden.
Um die Komplexität und den Bauraum des gesamten Brennstoffzellensystems gering zu halten, kann der CPOX-Reformer alternativ auch in den allgemeinen Reformer integriert werden. Dies bringt folgende Vorteile: Es werden keine zusätzliche Brennstoffleitung und kein zusätzlicher Reformer benötigt. Hier erfolgt die Aufwärmung über die Light-off Temperatur über das Brennstoffzellensystem intern über das heiße Kathodenabgas selbst, wobei die Light-off Temperatur hierbei im Bereich zwischen 250 °C und 500 °C liegt. Sobald die CPOX-Reaktion gestartet ist, beginnt die exotherme CPOX-Reaktion (> 600°C), wodurch der Katalysator aktiv gekühlt (Katho- denabgastemperatur liegt z. B. bei metallbasierten Brennstoffzellenstapel im Aufheizvorgang meist unter 600 °C). Der Reformerkatalysator sollte hierbei sowohl für CPOX-Reformierung als auch für Dampfreformierung ausgebildet sein. Dies kann bevorzugt über einen zweistufigen Reformer (z. B. einen Edelmetallkatalysator mit anschließenden Ni-basierten Katalysator) oder über einen dementsprechend robusten einstufigen Katalysator erreicht werden.
Eine Verwendung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems erfolgt mit Vorteil als stationäre Anlage oder in einem Kraftfahrzeug. Vorteilhaft kann das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem auch in marinen Anwendungen oder Flugzeugen verwendet werden. Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben ist. Es zeigt schematisch:
Fig. 1 a eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems;
Fig. 1 b eine schematische Darstellung eines weiteren erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems;
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines weiteren erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems;
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines weiteren erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems.
Fig. 1 a zeigt ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem 1 mit einem Brennstoffzellenstapel 2 umfassend einen Anodenabschnitt 3 und einen Kathodenabschnitt 4. Es ist eine Luftquelle 19 vorgesehen, an welche ein Luftzuführabschnitt 5 anschließt, um Luft in Richtung des Kathodenabschnittes 4 zu fördern. Ebenso ist eine Brennstoffquelle 20 vorgesehen, an welche sich ein Brennstoffzuführabschnitt 6 mit einer Brennstoffleitung 12 anschließt, um Brennstoff in Richtung des Anodenabschnittes 3 zu fördern. Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst weiter einen Rezirkulationsab- schnitt 7, über welches Abgas aus dem Anodenabschnitt 3 durch ein Gebläse 10 wieder in Richtung des Anodenabschnittes 3 gefördert wird. Stromabwärts des Brennstoffzellenstapels 2 ist eine erste Aufteilvorrichtung 21 vorgesehen über welche das Anodenabgas in den Rezirkulationsabschnitt 7 und in eine Abgasleitung 22 aufteilbar ist.
Der Teil des Anodenabgases im Rezirkulationsabschnitt 7, sprich das rezirkulierte Abgas, wird durch einen ersten Wärmetauscher 8 und einen zweiten Wärmetauscher 9 geleitet. Der erste Wärmetauscher 8 ist stromaufwärts des zweiten Wärmetauschers 9 angeordnet, wobei eine heiße Seite des ersten Wärmetauschers 8 im Rezirkulationsabschnitt 7 und eine kalte Seite des ersten Wärmetauschers 8 im Brennstoffzuführabschnitt 6 angeordnet ist. Dem heißen Anodenabgas wird also Wärme entzogen und der erste Wärmetauscher 8 ist als Brennstoff/Brennstoff- Wärmetauscher ausgebildet. Das Gebläse 10, welches als Rezirkulationsgebläse ausgebildet ist, ist zwischen dem ersten Wärmetauscher 8 und dem zweiten Wärmetauscher 9 angeordnet und zur Förderung des Anodenabgases ausgebildet.
Stromaufwärts des zweiten Wärmetauschers 9 ist eine fluidische Verbindung 23 zwischen dem Rezirkulationsabschnitt 7 und dem Brennstoffzuführabschnitt 6 vorgesehen, sodass frischer Brennstoff über die Brennstoffleitung 12 in den Rezirkulationsabschnitt 7 einbringbar ist. Der frische Brennstoff wird nun zusammen mit dem rezirkulierten Abgas im Brennstoffzuführabschnitt 6 in Richtung des Anodenabschnittes 3 gefördert. Dabei wird dieser Brennstoff nun in einem ersten Schritt durch die kalte Seite des ersten Wärmetauschers 8 geführt, wodurch dieser wieder erwärmt wird.
Stromaufwärts des Anodenabschnittes 3 und stromabwärts der kalten Seite des ersten Wärmetauschers 8 ist ein Reformerwärmetauscher 16 angeordnet, welcher den Brennstoff zur Verwendung im Anodenabschnitt 3 aufbereitet. Dem Reformerwärmetauscher 16 wird zum Aufwärmen des entsprechenden Reformerabschnittes Katho- denabgas über die Kathodenabführleitung 13 zugeführt.
Der Luftzuführabschnitt 5 weist eine Bypassleitung 11 auf, über welche der zweite Wärmetauscher 9 umgangen werden kann. Hierfür ist stromaufwärts des zweiten Wärmetauchers 9 eine Abzweigung 24, von welcher die Bypassleitung 11 abzweigt, und stromabwärts des zweiten Wärmetauschers 9 eine Verbindung 25, bei welcher die Bypassleitung 11 sich wieder verbindet, vorgesehen. Stromabwärts der Verbindung 25 ist ein weiterer Wärmetauscher 26 vorgesehen, wobei dessen kalte Seite in der Luftzuführleitung und dessen warme Seite in der Abgasleitung 22 angeordnet ist, sodass das heiße Abgas Wärme auf die Luft zur Verwendung im Kathodenabschnitt 4 überträgt. Der weitere Wärmetauscher 26 ist also als Luft/Luft-Wärmetauscher ausgebildet und angeordnet.
In der Abgasleitung 22 ist ein Oxidationskatalysator 15 angeordnet, wobei in diesen sowohl die Abgasleitung als auch die Kathodenabführleitung 13 (stromabwärts des Reformerwärmetauschers 16) führen. Es wird also Anodenabgas unter Zufuhr von Kathodenabgas verbrannt. Das verbrannte Abgas wird dann über den weiteren Wärmetauscher 26 an die Umgebung 27 abgeführt.
Das Brennstoffzellensystem 1 gemäß Fig. 1 a umfasst weiter einen Startbrenner 17, welchem sowohl Brennstoff aus der Brennstoffquelle 20 als auch Luft aus der Luftquelle 19 zugeführt werden. Der Startbrenner 17 ist zum Aufheizen des Brennstoff- zellensystems 1 angeordnet und ausgebildet. Hierfür wird die Wärme beispielsweise direkt dem Oxidationskatalysator 15 (durchgezogenen Linie) oder der Abgasleitung 22 stromabwärts davon oder der Luftzuführleitung 5 oder der Kathodenabluftleitung 13 (jeweils dargestellt durch strichlierte Linien) zugeführt.
Darüber hinaus ist ein Reformer 18 zum Herstellen von Schutzgas durch katalytisch partielle Oxidation (CPOX-Reformer) vorgesehen. Auch diesem wird gemäß Fig. 1 sowohl Brennstoff als auch Luft zugeführt. Da es eine gewisse Light-off Temperatur braucht, um den CPOX-Reformer auf Betriebstemperatur zu bringen, ist eine Wärmezufuhr Q zum Reformer 18 vorgesehen. Durch den Reformer 18 bzw. die darin stattfindende Reaktion wird ein sogenanntes Schutzgas hergestellt welches beispielsweise stromaufwärts oder stromabwärts des Reformerwärmetauschers 16 zugeführt werden kann, um insbesondere den Brennstoffzellenstapel 2 zu schützen.
Fig. 1 b zeigt ein weiteres erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem 1. Elemente, welche die gleiche Funktion und insbesondere gleiche Anordnung wie jene gemäß Fig. 1 a haben, haben auch die gleichen Bezugszeichen und werden nicht weiter beschrieben. Im Unterschied zur Fig. 1 a ist beim Brennstoffzellensystem 1 gemäß Fig. 1 b der Reformer 18 zum Herstellen von Schutzgas durch katalytisch partielle Oxidation nicht als separates Element ausgebildet und angeordnet, sondern in den Reformerteil des Reformerwärmetauschers 16 integriert. Hierfür ist der Reformerwärmetauscher 16 sowohl für CPOX als auch für Dampfreformierung ausgebildet.
In Fig. 2 ist ein weiteres erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem 1 gezeigt. Auch hier haben Elemente, welche die gleiche Funktion und insbesondere gleiche Anordnung wie jene gemäß Fig. 1 a oder 1 b haben, die gleichen Bezugszeichen und werden nicht weiter beschrieben. Im Unterschied zu den Brennstoffzellensystemen 1 gemäß Fig. 1 a und 1 b ist hier die fluidische Verbindung 23 zwischen dem Brennstoffzuführabschnitt 12 und dem Rezirkulationsabschnitt 7 stromabwärts des zweiten Wärmetauschers 9 und stromaufwärts des Gebläses 10 angeordnet. Zur Vereinfachung sind in Fig. 2 der Startbrenner 17 und der CPOX-Reformer nicht dargestellt. Selbstverständlich kann jedoch auch das Brennstoffzellensystem 1 gemäß Fig. 2 diese Elemente umfassen.
Fig. 3 zeigt ist ein weiteres erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem 1. Auch hier haben Elemente, welche die gleiche Funktion und insbesondere gleiche Anordnung wie jene gemäß Fig. 1 a, 1 b oder 2 haben, die gleichen Bezugszeichen und werden nicht weiter beschrieben. Im Unterschied zu den Brennstoffzellensystemen 1 gemäß Fig. 1 a und 1 b und 2 ist hier die fluidische Verbindung 23 zwischen dem Brennstoffzuführabschnitt 12 und dem Rezirkulationsabschnitt 7 stromabwärts des Gebläses 10 und stromaufwärts des ersten Wärmetauschers 8 angeordnet. Zur Vereinfachung sind auch in Fig. 3 der Startbrenner 17 und der CPOX-Reformer nicht dargestellt. Selbstverständlich kann jedoch auch das Brennstoffzellensystem 1 gemäß Fig. 2 diese Elemente umfassen.
Zusammenfassend weist das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem insbesondere folgende Vorteile auf:
• Es können hohe Rezirkulationsraten mit Rezirkulationsgebläsen umgesetzt und die Temperatur am Einlass des Rezirkulationsgebläses auch auf sehr niedrigem Temperaturniveau geregelt werden;
• Aus dem Anodenpfad ausgekoppelte Wärme bleibt im System;
• Hohe Wirkungsgradanforderungen an den Brennstoff/Brennstoff- Wärmetauscher (erster Wärmetauscher 8) und den Luft/Luft-Wärmetauscher (weiterer Wärmetauscher 26) werden entschärft;
• Durch die Einbringung von frischem Brennstoff und die Umsetzung über das Rezirkulationsgebläse wird eine vorgeschaltete Verdichtung vom frischen Brennstoff zu vermeiden;
• Das Risiko von lokaler Kondensation vor dem Rezirkulationsgebläse und damit einhergehender Beschädigung des Rezirkulationsgebläses ist verringert.

Claims

Patentansprüche Brennstoffzellensystem (1 ), insbesondere SOFC-System, umfassend zumindest einen Brennstoffzellenstapel (2) mit einem Anodenabschnitt (3) und einem Kathodenabschnitt (4), einen Luftzuführabschnitt (5), einen Brennstoffzuführabschnitt (6) und einen Rezirkulationsabschnitt (7), wobei ein Wärmetauschernetzwerk mit zumindest einem ersten Wärmetauscher (8) und einem zweiten Wärmetauscher (9) vorgesehen ist, wobei der zweite Wärmetauscher (9) stromabwärts des ersten Wärmetauschers (8) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine kalte Seite des ersten Wärmetauschers (8) im Brennstoffzuführabschnitt (6) und eine kalte Seite des zweiten Wärmetauscher (9) im Luftzuführabschnitt (7) angeordnet ist. Brennstoffzellensystem (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass im Rezirkulationsabschnitt (7) oder im einen Brennstoffzuführabschnitt (6) ein Gebläse (10), insbesondere stromabwärts des zweiten Wärmetauschers (9), angeordnet ist. Brennstoffzellensystem (1 ) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Luftzuführabschnitt (5) eine Bypassleitung (1 1 ) vorgesehen ist, durch welche die kalte Seite des zweiten Wärmetauschers (9) umgehbar ist. Brennstoffzellensystem (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffzuführabschnitt (6) eine Brennstoffleitung (12) umfasst, wobei über die Brennstoffleitung (12) stromaufwärts des zweiten Wärmetauschers (9) Brennstoff dem Rezirkulationsabschnitt (7) zuführbar ist. Brennstoffzellensystem (1 ) nach einem der Ansprüche 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffzuführabschnitt (6) eine Brennstoffleitung (12) umfasst, wobei über die Brennstoffleitung (12) zwischen dem zweiten Wärmetauscher (9) und dem Gebläse (10) Brennstoff dem Rezirkulationsabschnitt (6) zuführbar ist. Brennstoffzellensystem (1 ) nach einem der Ansprüche 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffzuführabschnitt (6) eine Brennstoffleitung (12) umfasst, wobei über die Brennstoffleitung (12) zwischen dem Gebläse (10) und dem ersten Wärmetauscher (8) Brennstoff dem Rezirkulationsab- schnitt (7) zuführbar ist. Brennstoffzellensystem (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kathodenabführleitung (13) und eine Anodenabführleitung (14) vorgesehen ist. Brennstoffzellensystem (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts des Brennstoffzellenstapels (2) ein Oxidationskatalysator (15) angeordnet ist, wobei dem Oxidationskatalysator (15) ein Teil eines Abgases zuführbar ist. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Reformerwärmetauscher (16) vorgesehen ist, wobei eine heiße Seite des Reformerwärmetauschers (16) in der Kathodenabführleitung (13) angeordnet ist. Brennstoffzellensystem (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Startbrenner (17) vorgesehen ist. Brennstoffzellensystem (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Reformer (18) zum Herstellen von Schutzgas durch katalytisch partielle Oxidation vorgesehen ist. Verwendung eines Brennstoffzellensystems (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 als stationäre Anlage oder in einem Kraftfahrzeug.
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