DE102019206701A1

DE102019206701A1 - Fuel cell device and method for operating such a fuel cell device

Info

Publication number: DE102019206701A1
Application number: DE102019206701.8A
Authority: DE
Inventors: Peter Horstmann; Thomas Danne; Martin Hering; Maxime Carre; Stefanie Wahl; Rene Meise; Daniel Jansen
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2019-05-09
Filing date: 2019-05-09
Publication date: 2020-11-12

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenvorrichtung (10) sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Brennstoffzellenvorrichtung (10), umfassend einen Reformer (22), welcher dazu vorgesehen ist ein Brennstoffgemisch für eine Brennstoffzelle (12) zu reformieren, wobei ein Wärmeübertrager (26) in einer Zuleitung (28) zu dem Reformer (22) angeordnet ist. Es wird vorgeschlagen einen Bypass (44) zur Umgehung des Wärmeübertragers (26) auszubilden.The invention relates to a fuel cell device (10) and a method for operating such a fuel cell device (10), comprising a reformer (22) which is provided to reform a fuel mixture for a fuel cell (12), a heat exchanger (26) in a Feed line (28) to the reformer (22) is arranged. It is proposed to form a bypass (44) to bypass the heat exchanger (26).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenvorrichtung, umfassend einen Reformer, welcher dazu vorgesehen ist ein Brennstoffgemisch für eine Brennstoffzelle zu reformieren, wobei ein Wärmeübertrager in einer Zuleitung zu dem Reformer angeordnet ist. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Brennstoffzellenvorrichtung.The present invention relates to a fuel cell device comprising a reformer which is provided to reform a fuel mixture for a fuel cell, a heat exchanger being arranged in a feed line to the reformer. The invention also relates to a method for operating such a fuel cell device.

Stand der TechnikState of the art

Das Dokument WO 2010/044772 A1 offenbart eine Brennstoffzellenvorrichtung mit einem Reformer, welcher dazu vorgesehen ist ein Brennstoffgemisch für eine Brennstoffzelle zu reformieren, wobei ein Wärmeübertrager in einer Zuleitung zu dem Reformer angeordnet ist. Durch den Wärmeübertrager in der Zuleitung zum Reformer wird eine Temperatur eines reformierten Brennstoffgemischs am Ausgang des Reformers auf einer für die elektrochemische Umsetzung in der Brennstoffzelle erforderlichen Temperatur gehalten.The document WO 2010/044772 A1 discloses a fuel cell device with a reformer, which is provided to reform a fuel mixture for a fuel cell, a heat exchanger being arranged in a feed line to the reformer. The heat exchanger in the feed line to the reformer keeps a temperature of a reformed fuel mixture at the outlet of the reformer at a temperature required for the electrochemical conversion in the fuel cell.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Die vorliegende Erfindung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, dass ein Bypass zur Umgehung des Wärmeübertragers ausgebildet ist. Dadurch wird eine Regelung der Temperatur eines reformierten Brennstoffgemisches am Ausgang eines Reformers ermöglicht, wodurch wiederum die Effizienz der Brennstoffzellenvorrichtung erhöht werden kann.The present invention with the features of the main claim has the advantage that a bypass is designed to bypass the heat exchanger. This enables the temperature of a reformed fuel mixture at the outlet of a reformer to be regulated, which in turn enables the efficiency of the fuel cell device to be increased.

Unter dem Begriff „Bypass“ kann im Rahmen dieser Erfindung insbesondere eine strömungstechnische Überbrückung verstanden werden. Vorzugsweise kann darunter eine strömungstechnische Überbrückung verstanden werden, die ein Medium an einer Stelle aus einer Medienleitung zumindest teilweise ableitet und an einer anderen Stelle der Medienleitung wieder zuführt.In the context of this invention, the term “bypass” can in particular be understood to mean a fluidic bridging. It can preferably be understood as a fluidic bridging which at least partially diverts a medium from a media line at one point and feeds it back to the media line at another point.

Unter der Formulierung „zur Umgehung des Wärmeübertragers“ kann im Rahmen dieser Erfindung insbesondere verstanden werden, dass ein Medium zumindest teilweise an dem Wärmeübertrager strömungstechnisch vorbeigeführt wird. Vorzugsweise soll darunter verstanden werden, dass ein Medium, welches durch eine Medienleitung, die an dem Wärmetauscher angeschlossen ist, transportiert wird, zumindest teilweise an dem Wärmeübertrager strömungstechnisch vorbeigeführt wird. Besonders bevorzugt kann darunter verstanden werden, dass ein Medium von welchem Wärme mittels des Wärmeübertragers auf das zu reformierende Brennstoffgemisch übertragbar ist, zumindest teilweise an dem Wärmeübertrager strömungstechnisch vorbeigeführt wird.In the context of this invention, the phrase “to bypass the heat exchanger” can in particular be understood to mean that a medium is at least partially flowed past the heat exchanger. This should preferably be understood to mean that a medium which is transported through a media line which is connected to the heat exchanger is at least partially guided past the heat exchanger in terms of flow. Particularly preferably, this can be understood to mean that a medium from which heat can be transferred by means of the heat exchanger to the fuel mixture to be reformed is at least partially routed past the heat exchanger in terms of flow.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Merkmale sind vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung nach dem Hauptanspruch möglich. So ist es von Vorteil, wenn ein Nachbrenner an zumindest einer Abgasleitung der Brennstoffzelle angeschlossen ist, wodurch die thermische Integration innerhalb der Brennstoffzellenvorrichtung vereinfacht werden kann.The features listed in the subclaims allow advantageous developments of the invention according to the main claim. It is therefore advantageous if an afterburner is connected to at least one exhaust gas line of the fuel cell, whereby the thermal integration within the fuel cell device can be simplified.

In einer vorteilhaften Ausführung ist der Wärmeübertrager an einem Ausgang des Nachbrenners angeschlossen. Dadurch kann eine im Nachbrenner erzeugte Wärme für die Reformierung effektiv genutzt werden.In an advantageous embodiment, the heat exchanger is connected to an outlet of the afterburner. As a result, heat generated in the afterburner can be used effectively for reforming.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Nachbrenner eine direkte Brennstoffeinspeisung und/oder Lufteinspeisung aufweist. Dadurch wird eine zusätzliche Regelung der Wärmeübertragung auf das zu reformierende Brennstoffgemisch ermöglicht. Entsprechend kann dadurch zusätzlich die Effizienz der Brennstoffzellenvorrichtung erhöht und ein robuster Betrieb gewährleistet werden.It is particularly advantageous if the afterburner has a direct fuel feed and / or air feed. This enables additional control of the heat transfer to the fuel mixture to be reformed. Accordingly, the efficiency of the fuel cell device can also be increased and a robust operation can be ensured.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführung ist der Wärmeübertrager an einer Luftelektrodenabgasleitung der Brennstoffzelle angeschlossen. Dadurch kann eine in der Brennstoffzelle erzeugte Wärme für die Reformierung effektiv genutzt werden.In a further advantageous embodiment, the heat exchanger is connected to an air electrode exhaust line of the fuel cell. As a result, heat generated in the fuel cell can be effectively used for reforming.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführung ist der Wärmeübertrager an einer Brennstoffelektrodenabgasleitung angeschlossen. Dadurch kann ebenfalls eine in der Brennstoffzelle erzeugte Wärme für die Reformierung effektiv genutzt werden.In a further advantageous embodiment, the heat exchanger is connected to a fuel electrode exhaust line. As a result, heat generated in the fuel cell can also be used effectively for reforming.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführung ist der Wärmetauscher an einer Luftelektrodenzuleitung der Brennstoffzelle angeschlossen, wodurch Wärme die ggf. auf eine Luft in der Luftelektrodenzuleitung übertragen wurde ebenfalls für die Reformierung effektiv genutzt werden kann.In a further advantageous embodiment, the heat exchanger is connected to an air electrode supply line of the fuel cell, whereby heat that may have been transferred to air in the air electrode supply line can also be used effectively for the reforming.

Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung, insbesondere einer Brennstoffzellenvorrichtung nach der vorhergehenden Beschreibung, umfassend einen Reformer, welcher dazu vorgesehen ist ein Brennstoffgemisch für eine Brennstoffzelle zu reformieren, wobei ein Wärmeübertrager in einer Zuleitung zu dem Reformer angeordnet ist. Das Verfahren hat den Vorteil, dass mittels eines Bypasses eine Umgehung des Wärmeübertragers erfolgt. Dadurch wird eine Regelung der Temperatur eines reformierten Brennstoffgemisches am Ausgang eines Reformers ermöglicht, wodurch wiederum die Effizienz der Brennstoffzellenvorrichtung erhöht werden kann.The invention also relates to a method for operating a fuel cell device, in particular a fuel cell device according to the preceding description, comprising a reformer, which is provided to reform a fuel mixture for a fuel cell, a heat exchanger being arranged in a feed line to the reformer. The method has the advantage that the heat exchanger is bypassed by means of a bypass. This enables the temperature of a reformed fuel mixture at the outlet of a reformer to be regulated, which in turn enables the efficiency of the fuel cell device to be increased.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn durch Umgehung des Wärmeübertragers mittels des Bypasses eine Reduzierung der Temperatur eines reformierten Brennstoffgemischs am Ausgang des Reformers durchgeführt wird. So kann eine besonders effiziente Regelung der Temperatur des reformierten Brennstoffgemisches am Ausgang des Reformers erfolgen und ein robuster Betrieb gewährleistet werden.It is particularly advantageous if the temperature of a reformed fuel mixture at the outlet of the reformer is reduced by bypassing the heat exchanger by means of the bypass. In this way, the temperature of the reformed fuel mixture at the outlet of the reformer can be regulated particularly efficiently, and robust operation can be ensured.

In einer vorteilhaften Ausführung des Verfahrens ist ein Nachbrenner an zumindest einer Abgasleitung der Brennstoffzelle angeschlossen, welcher mittels einer direkten Brennstoffeinspeisung mit Brennstoff und/oder mittels einer direkten Lufteinspeisung mit Luft gespeist wird. Dadurch wird eine zusätzliche Regelung der Temperatur eines reformierten Brennstoffgemisches am Ausgang des Reformers ermöglicht, wodurch wiederum die Effizienz der Brennstoffzellenvorrichtung zusätzlich erhöht werden kann.In an advantageous embodiment of the method, an afterburner is connected to at least one exhaust gas line of the fuel cell, which is fed with fuel by means of a direct fuel feed and / or with air by means of a direct air feed. This enables an additional regulation of the temperature of a reformed fuel mixture at the outlet of the reformer, which in turn can additionally increase the efficiency of the fuel cell device.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn durch Einspeisung von Brennstoff mittels der direkten Brennstoffeinspeisung und/oder Luft mittels der direkten Lufteinspeisung eine Erhöhung der Temperatur eines reformierten Brennstoffgemischs am Ausgang des Reformers durchgeführt wird. So kann ebenfalls eine besonders effiziente Steuerung und/oder Regelung der Temperatur das reformierten Brennstoffgemisches am Ausgang des Reformers erfolgen.It is particularly advantageous if the temperature of a reformed fuel mixture at the outlet of the reformer is increased by feeding in fuel by means of the direct fuel feed and / or air by means of the direct air feed. A particularly efficient control and / or regulation of the temperature of the reformed fuel mixture at the outlet of the reformer can thus also take place.

FigurenlisteFigure list

In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen

1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Brennstoffzellenvorrichtung,
2 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Brennstoffzellenvorrichtung,
3 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Brennstoffzellenvorrichtung,
4 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Brennstoffzellenvorrichtung,
5 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Brennstoffzellenvorrichtung,

In the drawings, exemplary embodiments of the invention are shown schematically and explained in more detail in the description below. Show it

1 a schematic representation of an embodiment of a fuel cell device,
2 a schematic representation of a further embodiment of a fuel cell device,
3 a schematic representation of a further embodiment of a fuel cell device,
4th a schematic representation of a further embodiment of a fuel cell device,
5 a schematic representation of a further embodiment of a fuel cell device,

Beschreibung der AusführungsbeispieleDescription of the exemplary embodiments

In den Figuren sind schematische Darstellungen verschiedener Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Brennstoffzellenvorrichtung 10 gezeigt. Die gezeigten Brennstoffzellenvorrichtungen 10 umfassen jeweils eine Brennstoffzelle 12, in den vorliegenden Fällen jeweils eine SOFC-Brennstoffzelle, mittels welcher sowohl Strom als auch Wärme erzeugt werden kann.The figures show schematic representations of various exemplary embodiments of the fuel cell device according to the invention 10 shown. The fuel cell devices shown 10 each include a fuel cell 12 , in the present cases each a SOFC fuel cell, by means of which both electricity and heat can be generated.

Die jeweiligen Brennstoffzellen 12 weisen jeweils zwei Elektroden 14, in den gezeigten Fällen jeweils eine Anode 16 und eine Kathode 18, sowie jeweils einen dazwischen angeordneten Elektrolyten 20 auf. Alternativ wäre es aber auch möglich, dass die gezeigten Brennstoffzellenvorrichtungen 10 jeweils einen Brennstoffzellenstapel mit einer Vielzahl von Brennstoffzellen 12 aufweisen.The respective fuel cells 12 each have two electrodes 14th , one anode each in the cases shown 16 and a cathode 18th , as well as an electrolyte arranged in between 20th on. Alternatively, however, it would also be possible for the fuel cell devices shown 10 each a fuel cell stack with a plurality of fuel cells 12 exhibit.

Des Weiteren umfassen die gezeigten Brennstoffzellenvorrichtungen 10 jeweils einen Reformer 22, welcher dazu vorgesehen ist ein Brennstoffgemisch für die Brennstoffzelle 12 zu reformieren. Der Reformer 22 ist dabei an eine Brennstoffelektrodenzuleitung 24 der Brennstoffzelle 12 angeschlossen.The fuel cell devices shown also include 10 one reformer each 22nd , which is provided for a fuel mixture for the fuel cell 12 to reform. The reformer 22nd is connected to a fuel electrode lead 24 the fuel cell 12 connected.

In den gezeigten Fällen werden die Brennstoffzellenvorrichtungen 10 derart betrieben, dass über eine Brennstoffzuleitung 30 ein Brennstoffgemisch, in den vorliegenden Fällen Erdgas, und parallel dazu über eine Luftzuleitung 32 Luft zugeführt wird. Die Menge des zugeführten Brennstoffgemischs und der zugeführten Luft wird über Verdichter 34, 38, bzw. Gebläse 36, 40, geregelt. Die Luft wird anschließend der Kathode 18 der Brennstoffzelle 12 über eine Luftelektrodenzuleitung 42 zugeführt, während das Brennstoffgemisch vorerst dem Reformer 22 zugeführt wird, wo es für den Gebrauch in der Brennstoffzelle 12 reformiert wird und anschließend der Anode 16 der Brennstoffzelle 12 über die Brennstoffelektrodenzuleitung 24 zugeführt wird. In den gezeigten Fällen handelt es sich bei dem reformierten Brennstoffgemisch um wasserstoffhaltiges Synthesegas, welches in der Brennstoffzelle 12 unter Erzeugung von Strom und Wärme elektrochemisch umgesetzt wird.In the cases shown, the fuel cell devices 10 operated in such a way that via a fuel supply line 30th a fuel mixture, in the present cases natural gas, and parallel to it via an air supply line 32 Air is supplied. The amount of the supplied fuel mixture and the supplied air is via compressor 34 , 38 , or blower 36 , 40 , regulated. The air then becomes the cathode 18th the fuel cell 12 via an air electrode lead 42 fed, while the fuel mixture is initially the reformer 22nd is fed where it is for use in the fuel cell 12 is reformed and then the anode 16 the fuel cell 12 via the fuel electrode lead 24 is fed. In the cases shown, the reformed fuel mixture is hydrogen-containing synthesis gas which is in the fuel cell 12 is converted electrochemically with the generation of electricity and heat.

Bei der Reformierung im Reformer 22 handelt es sich in den vorliegenden Fällen um eine endotherme Reaktion, die normalerweise zur Folge hätte, dass die Temperatur (bspw. ca. 500 °C) des reformierten Brennstoffgemisches am Ausgang des Reformers geringer ist als die Temperatur (bspw. ca. 700 °C) die für die optimale elektrochemische Umsetzung in der Brennstoffzelle 12 erforderlich wäre. In den vorliegenden Fällen ist jedoch ein Wärmeübertrager 26 in einer Zuleitung 28 zu dem Reformer 22 angeordnet. Durch den Wärmeübertrager 26, wird die Temperatur des zu reformierenden Brennstoffgemisches vorab erhöht, wodurch auch das reformierte Brennstoffgemisch, bzw. das wasserstoffhaltige Synthesegas, am Ausgang des Reformers 22, in der Brennstoffelektrodenzuleitung 24 der Brennstoffzelle 12, eine für die elektrochemische Umsetzung in der Brennstoffzelle 12 erforderliche, höhere Temperatur aufweist. Entsprechend kann der Reformer 22 auch als passiv beheizter und/oder isenthalper Reformer 22 verstanden werden, da die Wärmeübertragung auf das Brennstoffgemisch und die eigentliche Reformierung in zwei getrennten Reaktionsräumen erfolgen.When reforming in the reformer 22nd In the present cases, it is an endothermic reaction which would normally result in the temperature (e.g. approx. 500 ° C) of the reformed fuel mixture at the outlet of the reformer being lower than the temperature (e.g. approx. 700 ° C) ) for the optimal electrochemical conversion in the fuel cell 12 would be required. In the present cases, however, is a heat exchanger 26th in a supply line 28 to the reformer 22nd arranged. Through the heat exchanger 26th , the temperature of the fuel mixture to be reformed is increased in advance, which means that the reformed fuel mixture or the hydrogen-containing synthesis gas at the outlet of the reformer 22nd , in the fuel electrode lead 24 the fuel cell 12 , one for the electrochemical conversion in the Fuel cell 12 required, higher temperature. Accordingly, the reformer 22nd also as passively heated and / or isenthalpic reformer 22nd be understood, since the heat transfer to the fuel mixture and the actual reforming take place in two separate reaction chambers.

Üblicherweise werden elektrische Heizelemente, wie beispielsweise Heizdrähte, verwendet, die für eine Erwärmung eines zu reformierenden Brennstoffzellengemisches relativ einfach in eine Zuleitung zum Reformer angeordnet werden können. Solche elektrischen Heizdrähte haben den Vorteil, dass sie einfach anzusteuern sind, wodurch entsprechend auch eine zusätzliche Regelung der Temperatur erfolgen kann. Nachteilig ist jedoch, dass solche Heizelemente meist einen hohen Energieverbrauch aufweisen.Usually, electrical heating elements, such as heating wires, are used, which can be arranged relatively easily in a feed line to the reformer for heating a fuel cell mixture to be reformed. Such electrical heating wires have the advantage that they are easy to control, which means that the temperature can also be regulated accordingly. However, it is disadvantageous that such heating elements usually have a high energy consumption.

Die vorliegenden Brennstoffzellenvorrichtungen 10 zeichnet sich nun dadurch aus, dass jeweils ein Bypass 44 zur Umgehung des Wärmeübertragers 26 ausgebildet ist. Dadurch wird eine Regelung der Wärmeübertragung auf das zu reformierende Brennstoffgemisch ermöglicht, wodurch auch die Temperatur des reformierten Brennstoffgemisches am Ausgang des Reformers 22, in der Brennstoffelektrodenzuleitung 24 der Brennstoffzelle 12, für die elektrochemische Umsetzung in der Brennstoffzelle 12 geregelt werden kann. Entsprechend kann dadurch die Effizienz der jeweiligen Brennstoffzellenvorrichtung 10 erhöht werden.The present fuel cell devices 10 is now characterized by the fact that each has a bypass 44 to bypass the heat exchanger 26th is trained. This enables the heat transfer to be regulated to the fuel mixture to be reformed, which also increases the temperature of the reformed fuel mixture at the outlet of the reformer 22nd , in the fuel electrode lead 24 the fuel cell 12 , for the electrochemical conversion in the fuel cell 12 can be regulated. The efficiency of the respective fuel cell device can thereby be correspondingly increased 10 increase.

In 1 ist eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Brennstoffzellenvorrichtung 10 gezeigt. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist ein Nachbrenner 46 an beiden Abgasleitung 48, im gezeigten Fall an einer Brennstoffelektrodenabgasleitung 50 und an einer Luftelektrodenabgasleitung 52, der Brennstoffzelle 12 angeschlossen. Durch den Nachbrenner können unter anderem in der Brennstoffzelle 12 nicht elektrochemisch umgesetzter Brennstoff unter Hinzunahme der in der Brennstoffzelle 12 nicht verbrauchten Luft nachträglich verbrannt werden, wodurch zusätzlich Wärme erzeugt werden kann. Entsprechend kann damit die Effizienz der Brennstoffzellenvorrichtung 10 gesteigert werden.In 1 Figure 3 is a schematic representation of an embodiment of a fuel cell device 10 shown. In the embodiment shown, there is an afterburner 46 on both exhaust pipes 48 , in the case shown on a fuel electrode exhaust line 50 and on an air electrode exhaust line 52 , the fuel cell 12 connected. Through the afterburner, among other things, in the fuel cell 12 non-electrochemically converted fuel with the addition of the fuel in the fuel cell 12 unused air can be subsequently burned, whereby additional heat can be generated. Accordingly, the efficiency of the fuel cell device can be increased 10 can be increased.

Der Wärmeübertrager 26 ist dabei an einem Ausgang des Nachbrenners 46 angeschlossen. In dem gezeigten Fall ist der Wärmeübertrager 26 in einer Abgasleitung 54 des Nachbrenners 46 angeschlossen. Der Wärmeübertrager 26 ist dabei derart an dem Ausgang des Nachbrenners 46 angeschlossen, dass Wärme von dem Abgas des Nachbrenners 46, bzw. Wärme von dem in der Abgasleitung 54 transportierten Abgases des Nachbrenners 46, auf das zu reformierende Brennstoffgemisch, bzw. das in der Zuleitung 28 zum Reformer 22 transportierte Brennstoffgemisch, übertragbar ist.The heat exchanger 26th is at one output of the afterburner 46 connected. In the case shown is the heat exchanger 26th in an exhaust pipe 54 of the afterburner 46 connected. The heat exchanger 26th is in this way at the outlet of the afterburner 46 connected that heat from the exhaust of the afterburner 46 , or heat from the one in the exhaust pipe 54 transported exhaust gas of the afterburner 46 , on the fuel mixture to be reformed or that in the supply line 28 to the reformer 22nd transported fuel mixture, is transferable.

Der Bypass 44 ist nun derart ausgebildet, dass das Abgas des Nachbrenners 46 stromaufwärts des Wärmeübertragers 26 zumindest teilweise aus der Abgasleitung 54 des Nachbrenners 46 abführbar ist und stromabwärts des Wärmeübertragers 26 wieder der Abgasleitung 54 des Nachbrenners 46 zuführbar ist. So kann das Abgas des Nachbrenners 46 an dem Wärmeübertrager 26 zumindest teilweise vorbeigeführt werden, wodurch eine Wärmeübertragung von dem Abgas des Nachbrenners 46 auf das zu reformierende Brennstoffgemisch in der Zuleitung 28 des Reformers 22 gezielt verhindert werden kann. So kann mittels des Bypasses 44 eine Reduzierung der Wärmeübertragung auf das zu reformierende Brennstoffgemisch durchgeführt werden und in Folge dessen auch eine Reduzierung der Temperatur des reformierten Brennstoffgemischs am Ausgang des Reformers 22 erfolgen.The bypass 44 is now designed in such a way that the exhaust gas from the afterburner 46 upstream of the heat exchanger 26th at least partially from the exhaust pipe 54 of the afterburner 46 can be removed and downstream of the heat exchanger 26th again the exhaust pipe 54 of the afterburner 46 is feedable. So can the exhaust gas from the afterburner 46 on the heat exchanger 26th at least partially bypassed, whereby a heat transfer from the exhaust gas of the afterburner 46 on the fuel mixture to be reformed in the feed line 28 of the reformer 22nd can be specifically prevented. So can bypass 44 a reduction in the heat transfer to the fuel mixture to be reformed can be carried out and, as a result, also a reduction in the temperature of the reformed fuel mixture at the outlet of the reformer 22nd respectively.

Der Nachbrenner 46 weist eine direkte Brennstoffeinspeisung 56 auf. Die Brennstoffeinspeisung 56 ist dabei derart ausgebildet, dass zumindest ein Teil des zugeführten Brennstoffgemisches aus der Brennstoffzuleitung 30 dem Nachbrenner 46 direkt zugeführt wird. Dadurch kann eine Verbrennung im Nachbrenner 46 zusätzlich geregelt werden, wodurch wiederum eine Temperatur des Abgases des Nachbrenners 46 geregelt und ggf. erhöht werden kann. So kann mittels der direkten Brennstoffeinspeisung 56 eine verbesserte Regelung und ggf. Erhöhung der Wärmeübertragung auf das zu reformierende Brennstoffgemisch erfolgen und in Folge dessen auch eine verbesserte Regelung und ggf. Erhöhung der Temperatur des reformierten Brennstoffgemischs am Ausgang des Reformers 22.The afterburner 46 has a direct fuel feed 56 on. The fuel feed 56 is designed in such a way that at least part of the fuel mixture supplied comes from the fuel supply line 30th the afterburner 46 is fed directly. This can cause combustion in the afterburner 46 can also be regulated, which in turn increases the temperature of the exhaust gas from the afterburner 46 can be regulated and increased if necessary. So can by means of the direct fuel feed 56 an improved regulation and possibly an increase in the heat transfer to the fuel mixture to be reformed take place and, as a result, an improved regulation and possibly an increase in the temperature of the reformed fuel mixture at the outlet of the reformer 22nd .

Mittels des Bypasses 44 zur Umgehung des Wärmetauschers kann daher eine Regelung der Temperatur des reformierten Brennstoffgemisches am Ausgang des Reformers 22 hin zu geringeren Temperaturen erfolgen, während mittels der Brennstoffeinspeisung 56 eine Regelung der Temperatur des reformierten Brennstoffgemisches am Ausgang des Reformers 22 hin zu höheren Temperaturen erfolgen kann.Using the bypass 44 to bypass the heat exchanger, it is therefore possible to regulate the temperature of the reformed fuel mixture at the outlet of the reformer 22nd take place towards lower temperatures, while by means of the fuel feed 56 a regulation of the temperature of the reformed fuel mixture at the outlet of the reformer 22nd can take place towards higher temperatures.

In 2 ist eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Brennstoffzellenvorrichtung 10 gezeigt. Das gezeigte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel darin, dass der Nachbrenner 46 lediglich an einer der beiden Abgasleitungen 48, im gezeigten Fall lediglich an der Brennstoffelektrodenabgasleitung 50, der Brennstoffzelle 12 angeschlossen ist. Die Luftelektrodenabgasleitung 52 mündet in dem gezeigten Fall in die Abgasleitung 54 des Nachbrenners 46.In 2 Fig. 3 is a schematic representation of another embodiment of a fuel cell device 10 shown. The embodiment shown differs from that in FIG 1 embodiment shown is that the afterburner 46 only on one of the two exhaust pipes 48 , in the case shown only on the fuel electrode exhaust line 50 , the fuel cell 12 connected. The air electrode exhaust line 52 opens into the exhaust pipe in the case shown 54 of the afterburner 46 .

Außerdem unterscheidet sich das in 2 gezeigte Ausführungsbeispiel von dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel darin, dass der Nachbrenner 46 neben der direkten Brennstoffeinspeisung 56 auch eine direkte Lufteinspeisung 58 aufweist. Die Lufteinspeisung 58 ist dabei derart ausgebildet, dass zumindest ein Teil der zugeführten Luft aus der Luftzuleitung 30 dem Nachbrenner 46 direkt zugeführt wird. Dadurch kann eine Verbrennung im Nachbrenner 46 über das eingespeiste Brennstoff-Luft-Verhältnis geregelt werden, wodurch wiederum eine Temperatur des Abgases des Nachbrenners besser geregelt und ggf. erhöht werden kann. So kann mittels der direkten Brennstoffeinspeisung 56 eine verbesserte Regelung und ggf. Erhöhung der Wärmeübertragung auf das zu reformierende Brennstoffgemisch erfolgen und in Folge dessen auch eine verbesserte Regelung und ggf. Erhöhung der Temperatur des reformierten Brennstoffgemischs am Ausgang des Reformers 22.Also, it differs in 2 shown embodiment of the in 1 embodiment shown is that the afterburner 46 in addition to the direct fuel feed 56 also a direct air supply 58 having. The air supply 58 is designed in such a way that at least part of the air supplied comes from the air supply line 30th the afterburner 46 is fed directly. This can cause combustion in the afterburner 46 can be regulated via the fuel-air ratio fed in, which in turn allows a temperature of the exhaust gas from the afterburner to be better regulated and, if necessary, increased. So can by means of the direct fuel feed 56 an improved regulation and possibly an increase in the heat transfer to the fuel mixture to be reformed take place and, as a result, an improved regulation and possibly an increase in the temperature of the reformed fuel mixture at the outlet of the reformer 22nd .

Alternativ wäre es aber auch möglich, dass der Nachbrenner 46 nur eine direkte Lufteinspeisung 58 aufweist, d.h. keine direkte Brennstoffeinspeisung 56 aufweist, wodurch die Verbrennung im Nachbrenner 48 ebenfalls zumindest teilweise geregelt werden könnte.Alternatively, it would also be possible for the afterburner 46 only a direct air supply 58 has, ie no direct fuel feed 56 has, causing combustion in the afterburner 48 could also be at least partially regulated.

In jedem Fall kann mittels des Bypasses 44 zur Umgehung des Wärmetauschers eine Regelung der Temperatur des reformierten Brennstoffgemisches am Ausgang des Reformers 22 hin zu geringeren Temperaturen erfolgen, während mittels der Brennstoffeinspeisung 56 und/oder der Lufteinspeisung 58 eine Regelung der Temperatur des reformierten Brennstoffgemisches am Ausgang des Reformers 22 hin zu höheren Temperaturen erfolgen kann.In any case, the bypass can be used 44 a regulation of the temperature of the reformed fuel mixture at the outlet of the reformer to bypass the heat exchanger 22nd take place towards lower temperatures, while by means of the fuel feed 56 and / or the air supply 58 a regulation of the temperature of the reformed fuel mixture at the outlet of the reformer 22nd can take place towards higher temperatures.

In 3 ist eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Brennstoffzellenvorrichtung 10 gezeigt. Das in 3 gezeigte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel darin, dass der Wärmeübertrager 26 an der Luftelektrodenabgasleitung 52 der Brennstoffzelle 12 angeschlossen ist. Der Bypass 44 wiederum ist derart ausgebildet, dass das Kathodenabgas der Brennstoffzelle 12 stromaufwärts des Wärmeübertragers 26 zumindest teilweise aus der Luftelektrodenabgasleitung 52 der Brennstoffzelle 12 abführbar ist und stromabwärts des Wärmeübertragers 26 wieder der Luftelektrodenabgasleitung 52 der Brennstoffzelle 12 zuführbar ist. So kann das Kathodenabgas der Brennstoffzelle 12 an dem Wärmeübertrager 26 zumindest teilweise vorbeigeführt werden, wodurch eine Wärmeübertragung von dem Kathodenabgas der Brennstoffzelle 12 auf das zu reformierende Brennstoffgemisch in der Zuleitung 28 des Reformers 22 gezielt verhindert werden kann. Entsprechend kann mittels des Bypasses 44 eine Reduzierung der Wärmeübertragung auf das zu reformierende Brennstoffgemisch durchgeführt werden und in Folge dessen auch eine Reduzierung der Temperatur des reformierten Brennstoffgemischs am Ausgang des Reformers 22 erfolgen.In 3 Fig. 3 is a schematic representation of another embodiment of a fuel cell device 10 shown. This in 3 The embodiment shown differs from that in 1 embodiment shown is that the heat exchanger 26th on the air electrode exhaust line 52 the fuel cell 12 connected. The bypass 44 again is designed in such a way that the cathode exhaust gas from the fuel cell 12 upstream of the heat exchanger 26th at least partially from the air electrode exhaust line 52 the fuel cell 12 can be removed and downstream of the heat exchanger 26th again the air electrode exhaust line 52 the fuel cell 12 is feedable. So can the cathode exhaust gas of the fuel cell 12 on the heat exchanger 26th at least partially bypassed, whereby a heat transfer from the cathode exhaust gas of the fuel cell 12 on the fuel mixture to be reformed in the feed line 28 of the reformer 22nd can be specifically prevented. Correspondingly, by means of the bypass 44 a reduction in the heat transfer to the fuel mixture to be reformed can be carried out and, as a result, also a reduction in the temperature of the reformed fuel mixture at the outlet of the reformer 22nd respectively.

In 4 ist eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Brennstoffzellenvorrichtung 10 gezeigt. Das in 4 gezeigte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel darin, dass der Wärmeübertrager 26 an der Brennstoffelektrodenabgasleitung 50 der Brennstoffzelle 12 angeschlossen ist. Der Bypass 44 wiederum ist derart ausgebildet, dass das Anodenabgas der Brennstoffzelle 12 stromaufwärts des Wärmeübertragers 26 zumindest teilweise aus der der Brennstoffelektrodenabgasleitung 50 der Brennstoffzelle 12 abführbar ist und stromabwärts des Wärmeübertragers 26 wieder der Brennstoffelektrodenabgasleitung 50 der Brennstoffzelle 12 zuführbar ist. So kann das Anodenabgas der Brennstoffzelle 12 an dem Wärmeübertrager 26 zumindest teilweise vorbeigeführt werden, wodurch eine Wärmeübertragung von dem Kathodenabgas der Brennstoffzelle 12 auf das zu reformierende Brennstoffgemisch in der Zuleitung 28 des Reformers 22 gezielt verhindert werden kann. Entsprechend kann mittels des Bypasses 44 eine Reduzierung der Wärmeübertragung auf das zu reformierende Brennstoffgemisch durchgeführt werden und in Folge dessen auch eine Reduzierung der Temperatur des reformierten Brennstoffgemischs am Ausgang des Reformers 22 erfolgen.In 4th Fig. 3 is a schematic representation of another embodiment of a fuel cell device 10 shown. This in 4th The embodiment shown differs from that in 1 embodiment shown is that the heat exchanger 26th on the fuel electrode exhaust line 50 the fuel cell 12 connected. The bypass 44 again is designed in such a way that the anode exhaust gas from the fuel cell 12 upstream of the heat exchanger 26th at least partially from the fuel electrode exhaust line 50 the fuel cell 12 can be removed and downstream of the heat exchanger 26th again the fuel electrode exhaust line 50 the fuel cell 12 is feedable. So can the anode exhaust gas of the fuel cell 12 on the heat exchanger 26th at least partially bypassed, whereby a heat transfer from the cathode exhaust gas of the fuel cell 12 on the fuel mixture to be reformed in the feed line 28 of the reformer 22nd can be specifically prevented. Correspondingly, by means of the bypass 44 a reduction in the heat transfer to the fuel mixture to be reformed can be carried out and, as a result, also a reduction in the temperature of the reformed fuel mixture at the outlet of the reformer 22nd respectively.

In allen gezeigten Ausführungsbeispielen der Brennstoffzellenvorrichtung 10 ist ein weiterer Wärmeübertrager 60 in der Luftzuleitung 42 angeordnet, welcher an dem Ausgang des Wärmeübertragers 26 (1, 2) oder dem Ausgang des Nachbrenners 46 (3-5) angeschlossen ist. Durch diesen wird eine Wärmeübertragung von dem Abgas des Nachbrenners 46 auf die zugeführte Luft in der Luftelektrodenzuleitung 42 ermöglicht, wodurch die zugeführte Luft für den Betrieb in der Brennstoffzelle 12 vorgewärmt werden kann. Alternativ wäre es aber auch denkbar, anstelle des weiteren Wärmeübertragers 60 in der Luftelektrodenzuleitung 42 ein elektrisches Heizelement anzuordnen, durch welchen die Luft für den Betrieb in der Brennstoffzelle 12 vorgewärmt werden kann.In all shown exemplary embodiments of the fuel cell device 10 is another heat exchanger 60 in the air supply line 42 arranged, which at the output of the heat exchanger 26th ( 1 , 2 ) or the outlet of the afterburner 46 ( 3-5 ) connected. Through this there is a heat transfer from the exhaust gas of the afterburner 46 on the air supplied in the air electrode supply line 42 allows the air supplied to operate in the fuel cell 12 can be preheated. Alternatively, however, it would also be conceivable instead of the additional heat exchanger 60 in the air electrode lead 42 to arrange an electrical heating element through which the air for operation in the fuel cell 12 can be preheated.

In 5 ist eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Brennstoffzellenvorrichtung 10 gezeigt. Auch in diesem Ausführungsbeispiel ist der weitere Wärmeübertrager 60 in der Luftelektrodenzuleitung 42 angeordnet, welcher an dem Ausgang des Nachbrenners 46 angeschlossen ist. Im Unterschied zu dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist in dem in 5 gezeigten Ausführungsbeispiel der Wärmeübertrager 26 stromabwärts des weiteren Wärmeübertragers 60 an der Luftelektrodenzuleitung 42 der Brennstoffzelle 12 angeschlossen. So kann eine Wärmeübertragung vom Abgas des Nachbrenners 46 auf die Luft in der Luftelektrodenzuleitung 42 erfolgen und anschließend mittels des Wärmeübertragers 26 in der Zuleitung 28 des Reformers 22 auf das zu reformierende Brennstoffgemisch, wodurch die Wärme für die Reformierung im Reformer 22 genutzt werden kann. Der Bypass 44 wiederum ist derart ausgebildet, dass das die vorgewärmte Luft stromaufwärts des Wärmeübertragers 26 zumindest teilweise aus der der Luftelektrodenzuleitung 42 der Brennstoffzelle 12 abführbar ist und stromabwärts des Wärmeübertragers 26 wieder der der Luftelektrodenzuleitung 42 der Brennstoffzelle 12 zuführbar ist. So kann die vorgewärmte Luft an dem Wärmeübertrager 26 zumindest teilweise vorbeigeführt werden, wodurch eine Wärmeübertragung von der vorgewärmten Luft in der Luftelektrodenzuleitung 42 auf das zu reformierende Brennstoffgemisch in der Zuleitung 28 des Reformers 22 gezielt verhindert werden kann. Entsprechend kann mittels des Bypasses 44 eine Reduzierung der Wärmeübertragung auf das zu reformierende Brennstoffgemisch durchgeführt werden und in Folge dessen auch eine Reduzierung der Temperatur des reformierten Brennstoffgemischs am Ausgang des Reformers 22. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist dabei der Nachbrenner 46, wie in 4, an die Luftelektrodenabgasleitung 52 angeschlossen.In 5 Fig. 3 is a schematic representation of another embodiment of a fuel cell device 10 shown. The additional heat exchanger is also in this exemplary embodiment 60 in the air electrode lead 42 arranged, which at the outlet of the afterburner 46 connected. In contrast to the in 1 The embodiment shown is in the in 5 shown embodiment of the heat exchanger 26th downstream of the further heat exchanger 60 at the Air electrode lead 42 the fuel cell 12 connected. This allows heat to be transferred from the exhaust gas of the afterburner 46 on the air in the air electrode lead 42 and then by means of the heat exchanger 26th in the supply line 28 of the reformer 22nd on the fuel mixture to be reformed, creating the heat for the reforming in the reformer 22nd can be used. The bypass 44 in turn, it is designed in such a way that the preheated air is upstream of the heat exchanger 26th at least partially from the air electrode supply line 42 the fuel cell 12 can be removed and downstream of the heat exchanger 26th again that of the air electrode lead 42 the fuel cell 12 is feedable. This allows the preheated air to pass through the heat exchanger 26th at least partially bypassed, whereby a heat transfer from the preheated air in the air electrode supply line 42 on the fuel mixture to be reformed in the feed line 28 of the reformer 22nd can be specifically prevented. Correspondingly, by means of the bypass 44 a reduction in the heat transfer to the fuel mixture to be reformed can be carried out and, as a result, also a reduction in the temperature of the reformed fuel mixture at the outlet of the reformer 22nd . In the embodiment shown, the afterburner is used 46 , as in 4th , to the air electrode exhaust line 52 connected.

Außerdem wird in allen gezeigten Ausführungsbeispielen zumindest ein Teil des Anodenabgses der Brennstoffzelle 12 über eine Rezirkulationsleitung 62 rezirkuliert. Wodurch die Effizienz der Brennstoffzellenvorrichtung gesteigert wird. Die Rezirkulationsleitung 62 ist dabei derart angeordnet, dass zumindest ein Teil des Anodenabgases stromaufwärts des Nachbrenners 46 aus der Brennstoffelektrodenabgasleitung 50 abgeführt wird und stromaufwärts des Wärmeübertragers 26 der Zuleitung 28 des Reformers 22 zugeführt wird. Über einen Rezirkulationsverdichter 64, in den gezeigten Fällen ein Rezirkulationsgebläse 66, wird die Menge an rezirkuliertem Anodenabgas geregelt.In addition, in all the exemplary embodiments shown, at least part of the anode exhaust of the fuel cell 12 via a recirculation line 62 recirculated. Thus, the efficiency of the fuel cell device is increased. The recirculation line 62 is arranged in such a way that at least part of the anode exhaust gas is upstream of the afterburner 46 from the fuel electrode exhaust line 50 is discharged and upstream of the heat exchanger 26th the supply line 28 of the reformer 22nd is fed. Via a recirculation compressor 64 , in the cases shown, a recirculation fan 66 , the amount of recirculated anode exhaust gas is regulated.

In allen gezeigten Ausführungsbeispielen ist es auch möglich, dass zusätzlich aktiv beheizte Reformer eingesetzt werden.In all of the exemplary embodiments shown, it is also possible for actively heated reformers to be used in addition.

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

WO 2010/044772 A1 [0002]

Claims

Fuel cell device (10) comprising a reformer (22), which is provided to reform a fuel mixture for a fuel cell (12), a heat exchanger (26) being arranged in a feed line (28) to the reformer (22), characterized by a bypass (44) to bypass the heat exchanger (26).

Fuel cell device (10) according to Claim 1 , characterized in that an afterburner (46) is connected to at least one exhaust pipe (48) of the fuel cell (12).

Fuel cell device (10) according to one of the Claims 2 , characterized in that the heat exchanger (26) is connected to an output of an afterburner (46).

Fuel cell device (10) according to Claim 2 or 3 , characterized in that the afterburner (46) has a direct fuel feed (56) and / or air feed (58).

Fuel cell device (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the heat exchanger (26) is connected to an air electrode exhaust line (52) of the fuel cell (12).

Fuel cell device (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the heat exchanger (26) is connected to a fuel electrode exhaust line (50).

Fuel cell device (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the heat exchanger (26) is connected to an air electrode feed line (42) of the fuel cell (12).

A method for operating a fuel cell device (10), in particular a fuel cell device (10) according to one of the preceding claims, comprising a reformer (22), which is provided to reform a fuel mixture for a fuel cell (12), a heat exchanger (26) in a supply line (28) to the reformer (22), characterized in that the heat exchanger (26) is bypassed by means of a bypass (44).

Procedure according to Claim 8 , characterized in that the temperature of a reformed fuel mixture at the outlet of the reformer (22) is reduced by bypassing the heat exchanger by means of the bypass (44).

Method according to one of the Claims 8 or 9 , characterized in that an afterburner (46) is connected to at least one exhaust line (48) of the fuel cell (12), which is fed with fuel by means of a direct fuel feed (56) and / or with air by means of a direct air feed (58).

Procedure according to Claim 10 , characterized in that the temperature of a reformed fuel mixture at the outlet of the reformer (22) is increased by feeding in fuel by means of the direct fuel feed (56) and / or air by means of the direct air feed (58).