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DE102024204932A1 - Method for operating a fuel cell system, mixing device and fuel cell system - Google Patents

Method for operating a fuel cell system, mixing device and fuel cell system

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Publication number
DE102024204932A1
DE102024204932A1 DE102024204932.8A DE102024204932A DE102024204932A1 DE 102024204932 A1 DE102024204932 A1 DE 102024204932A1 DE 102024204932 A DE102024204932 A DE 102024204932A DE 102024204932 A1 DE102024204932 A1 DE 102024204932A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
fuel
fuel cell
cell system
alternative
unit
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE102024204932.8A
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German (de)
Inventor
Julia Miersch
Stefanie Wahl
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
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Publication of DE102024204932A1 publication Critical patent/DE102024204932A1/en
Pending legal-status Critical Current

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Abstract

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren (10) zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems (12), das zum Betrieb mit einem kohlenwasserstoffhaltigen Sollbrennstoff ausgelegt ist.
Es wird vorgeschlagen, dass in zumindest einem Verfahrensschritt ein von dem Sollbrennstoff unterschiedlicher kohlenwasserstoffhaltiger Alternativbrennstoff, insbesondere Autogas und/oder einem anderen Flüssiggas, dem Brennstoffzellensystem (12) zugeführt wird. The invention relates to a method (10) for operating a fuel cell system (12) designed for operation with a hydrocarbon-containing fuel.
It is proposed that in at least one process step an alternative hydrocarbon-containing fuel, in particular autogas and/or another liquefied gas, be supplied to the fuel cell system (12) that differs from the intended fuel.

Description

Stand der TechnikState of the art

Es ist bereits ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems, das zum Betrieb mit einem kohlenwasserstoffhaltigen Sollbrennstoff ausgelegt ist, vorgeschlagen worden.A method for operating a fuel cell system designed to operate with a hydrocarbon-containing target fuel has already been proposed.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems, das zum Betrieb mit einem kohlenwasserstoffhaltigen Sollbrennstoff ausgelegt ist.The invention relates to a method for operating a fuel cell system designed for operation with a hydrocarbon-containing fuel.

Es wird vorgeschlagen, dass in zumindest einem Verfahrensschritt des Verfahrens ein von dem Sollbrennstoff unterschiedlicher kohlenwasserstoffhaltiger Alternativbrennstoff dem Brennstoffzellensystem zugeführt wird. Das Brennstoffzellensystem umfasst vorzugsweise zumindest eine Brennstoffzelleneinheit mit zumindest einer Brennstoffzelle zu einer elektrochemischen Umsetzung des zumindest einen Sollbrennstoffs. Die zumindest eine Brennstoffzelle ist beispielsweise als Festoxidbrennstoffzelle, als Schmelzkarbonatbrennstoffzelle, als Polymerelektrolytbrennstoffzelle oder dergleichen ausgebildet. Vorzugsweise umfasst die zumindest eine Brennstoffzelleneinheit mehrere, bevorzugt zumindest 100, besonders bevorzugt zumindest 200, Brennstoffzellen, die zu einem gemeinsamen Betrieb, insbesondere fluidtechnisch parallel und elektrisch in Reihe, verschaltet sind. Das Brennstoffzellensystem umfasst vorzugsweise mehrere Peripheriegeräte zu einer Aufbereitung und/oder Nachbereitung des Sollbrennstoffs. Beispiele für Peripheriegeräte des Brennstoffzellensystems umfassen eine Brennstofffördereinheit und/oder ein Proportionalventil zu einer Einstellung eines Drucks des Sollbrennstoffs, einen Reformer zu einem Reformieren des Sollbrennstoffs, einen Nachbrenner zu einer Umsetzung von Brennstoffresten in einem Abgas der zumindest einen Brennstoffzelleneinheit, eine Abgasrückspeisung zu einer Einspeisung eines Teils des Abgases der zumindest einen Brennstoffzelleneinheit in eine Brennstoffversorgungsleitung des Brennstoffzellensystems zu der zumindest einen Brennstoffzelleneinheit.It is proposed that in at least one process step, a hydrocarbon-containing alternative fuel, different from the target fuel, is supplied to the fuel cell system. The fuel cell system preferably comprises at least one fuel cell unit with at least one fuel cell for the electrochemical conversion of the at least one target fuel. The at least one fuel cell is, for example, configured as a solid oxide fuel cell, a molten carbonate fuel cell, a polymer electrolyte fuel cell, or the like. Preferably, the at least one fuel cell unit comprises several, preferably at least 100, and particularly preferably at least 200, fuel cells connected for common operation, especially in parallel via fluid technology and in series electrically. The fuel cell system preferably comprises several peripheral devices for the preparation and/or post-processing of the target fuel. Examples of peripheral devices of the fuel cell system include a fuel delivery unit and/or a proportional valve for adjusting the pressure of the target fuel, a reformer for reforming the target fuel, an afterburner for converting fuel residues in an exhaust gas of the at least one fuel cell unit, and an exhaust gas recirculation system for feeding a portion of the exhaust gas from the at least one fuel cell unit into a fuel supply line of the fuel cell system to the at least one fuel cell unit.

Das Brennstoffzellensystem ist vorzugsweise dazu ausgelegt, bei einem Volllastbetrieb mit dem Sollbrennstoff eine elektrische Nennleistung von zumindest 10 kW, bevorzugt von zumindest 20 kW bereitzustellen. Das Brennstoffzellensystem ist vorzugsweise dazu ausgelegt, zumindest bei einem Volllastbetrieb, bevorzugt bei jedem regulären Betriebspunkt, mit dem Sollbrennstoff einen Gesamtwirkungsgrad, insbesondere eine elektrische Effizienz, von zumindest 60 %, bevorzugt von zumindest 70 %, insbesondere bei einer Bereitstellung von elektrischer Leistung und thermischer Leistung, aufzuweisen. Der Sollbrennstoff umfasst vorzugsweise Methan als Hauptenergieträger, insbesondere mit einem Stoffmengenanteil von zumindest 70 %, bevorzugt von zumindest 75 %. Der Sollbrennstoff kann zusätzlich zumindest einen weiteren Kohlenwasserstoff, Wasserstoff, Ammoniak und/oder andere Energieträger umfassen.The fuel cell system is preferably designed to provide a nominal electrical output of at least 10 kW, preferably at least 20 kW, when operating at full load with the target fuel. The fuel cell system is preferably designed to achieve an overall efficiency, in particular an electrical efficiency, of at least 60%, preferably at least 70%, especially when providing both electrical and thermal power, when operating at full load, preferably at every regular operating point, with the target fuel. The target fuel preferably comprises methane as the main energy carrier, particularly with a mole fraction of at least 70%, preferably at least 75%. The target fuel may additionally comprise at least one other hydrocarbon, hydrogen, ammonia, and/or other energy carriers.

Der Alternativbrennstoff umfasst vorzugsweise zumindest einen Kohlenwasserstoff als Hauptenergieträger. Der Alternativbrennstoff umfasst vorzugsweise einen geringeren Anteil an Methan als der Sollbrennstoff. Vorzugsweise umfasst der Alternativbrennstoff einen Stoffmengenanteil von Methan von weniger als 70%, bevorzugt von höchstens 65 %, insbesondere von weniger als 60 %. Der Alternativbrennstoff umfasst beispielsweise einen größeren Anteil an inerten Bestandteilen, insbesondere Kohlenstoffdioxid, als der Sollbrennstoff. Alternativ oder zusätzlich umfasst der Alternativbrennstoff beispielsweise einen größeren Anteil an zumindest einem komplexeren Kohlenwasserstoff als Methan, insbesondere Propan und/oder Butan, als der Sollbrennstoff. Der Hauptenergieträger des Alternativbrennstoffs kann Methan oder der zumindest eine komplexere Kohlenwasserstoff sein. Bei einem Betrieb des Brennstoffzellensystems mit dem Alternativbrennstoff weist dieses im Allgemeinen eine niedrigere maximal erreichbare elektrische Leistung und/oder einen niedrigeren Wirkungsgrad als bei einem Betrieb mit, insbesondere ausschließlich, dem Sollbrennstoff auf.The alternative fuel preferably comprises at least one hydrocarbon as the main energy carrier. The alternative fuel preferably comprises a lower proportion of methane than the target fuel. Preferably, the alternative fuel comprises a methane molar fraction of less than 70%, preferably of at most 65%, and particularly of less than 60%. The alternative fuel comprises, for example, a larger proportion of inert components, particularly carbon dioxide, than the target fuel. Alternatively or additionally, the alternative fuel comprises, for example, a larger proportion of at least one more complex hydrocarbon than methane, particularly propane and/or butane, than the target fuel. The main energy carrier of the alternative fuel can be methane or the at least one more complex hydrocarbon. When the fuel cell system is operated with the alternative fuel, it generally exhibits a lower maximum achievable electrical power and/or a lower efficiency than when operated with, and in particular exclusively, the target fuel.

Vorzugsweise wird der Alternativbrennstoff dem Brennstoffzellensystem anstelle des Sollbrennstoffs zugeführt. Alternativ wird der Sollbrennstoff mit dem Alternativbrennstoff vor einer Einspeisung in die zumindest eine Brennstoffzelleneinheit, insbesondere stromaufwärts des Reformers vermischt. Das Brennstoffzellensystem umfasst vorzugsweise eine Steuer- oder Regeleinheit, welche die zumindest eine Brennstoffzelleneinheit und/oder die Peripheriegeräte ansteuert, um einen Betriebspunkt des Brennstoffzellensystems einzustellen. Unter einer „Steuer- oder Regeleinheit“ soll insbesondere eine Einheit mit zumindest einer Steuerelektronik verstanden werden. Unter einer „Steuerelektronik“ soll insbesondere eine Einheit mit einer Prozessoreinheit und mit einer Speichereinheit sowie mit einem in der Speichereinheit gespeicherten Betriebsprogramm verstanden werden. Die Steuer- oder Regeleinheit steuert die zumindest eine Brennstoffzelleneinheit und/oder die Peripheriegeräte vorzugsweise in Abhängigkeit des verwendeten Brennstoffs, insbesondere in Abhängigkeit eines Mischungsverhältnisses der verwendeten Brennstoffe, an. Die Art und/oder Zusammensetzung des verwendeten Brennstoffs kann von der Steuer- oder Regeleinheit von einem Bediener des Brennstoffzellensystems abgefragt oder selbsttätig ermittelt werden. Beispielsweise umfasst das Brennstoffzellensystem separate Fluideinlässe für den Sollbrennstoff und den Alternativbrennstoff, sowie zumindest je ein Einlasssensorelement, beispielsweise zu einer Erfassung eines Drucks und/oder einer Strömungsrate durch den jeweiligen Fluideinlass, anhand dessen die Steuer- oder Regeleinheit die Art und/oder Zusammensetzung des verwendeten Brennstoffs ermittelt. Alternativ oder zusätzlich umfasst das Brennstoffzellensystem ein Fluidanalysegerät, beispielsweise ein Massenspektrometer, eine Lambdasonde oder dergleichen, um eine Zusammensetzung des verwendeten Brennstoffs, insbesondere stromabwärts einer Vermischung der Brennstoffe, zu erfassen. Die Steuer- oder Regeleinheit ist vorzugsweise dazu vorgesehen, bei einer gegebenen oder ermittelten Art und/oder Zusammensetzung des verwendeten Brennstoffs eine Brennstoffnutzung des Brennstoffzellensystems unter einem vorgegebenen Grenzwert, insbesondere auf einem vorgegebenen Sollwert, zu halten. Die Steuer- oder Regeleinheit passt beispielsweise eine Sauerstoffzufuhrrate zu der zumindest einen Brennstoffzelleneinheit, eine Brennstoffzufuhrrate zu der zumindest einen Brennstoffzelleneinheit und/oder durch eine Rezirkulationsrate der Abgasrückspeisung an, um die Brennstoffnutzung des Brennstoffzellensystems zu regeln.Preferably, the alternative fuel is supplied to the fuel cell system instead of the intended fuel. Alternatively, the intended fuel is mixed with the alternative fuel before being fed into the at least one fuel cell unit, particularly upstream of the reformer. The fuel cell system preferably comprises a control unit that controls the at least one fuel cell unit and/or the peripheral devices to set an operating point of the fuel cell system. A "control unit" is understood to be, in particular, a unit with at least one control electronics unit. "Control electronics" is understood to be, in particular, a unit with a processor unit and a memory unit, as well as an operating program stored in the memory unit. The control unit preferably controls the at least one fuel cell unit and/or the peripheral devices depending on the fuel used, in particular depending on a mixture ratio of the fuels used. The type and/or composition of the fuel used can be determined by the control unit. The control unit can be queried by an operator of the fuel cell system or determine the fuel consumption automatically. For example, the fuel cell system includes separate fluid inlets for the target fuel and the alternative fuel, as well as at least one inlet sensor element for each, for example, to detect pressure and/or flow rate through the respective fluid inlet, based on which the control unit determines the type and/or composition of the fuel used. Alternatively or additionally, the fuel cell system includes a fluid analyzer, for example, a mass spectrometer, a lambda probe, or the like, to determine the composition of the fuel used, particularly downstream of any fuel mixing. The control unit is preferably designed to maintain the fuel consumption of the fuel cell system below a predetermined limit, particularly at a predetermined target value, for a given or determined type and/or composition of the fuel used. The control unit adjusts, for example, an oxygen supply rate to the at least one fuel cell unit, a fuel supply rate to the at least one fuel cell unit and/or a recirculation rate of the exhaust gas recirculation in order to regulate the fuel utilization of the fuel cell system.

Unter „vorgesehen“ soll insbesondere speziell programmiert, ausgelegt und/oder ausgestattet verstanden werden. Darunter, dass ein Objekt zu einer bestimmten Funktion vorgesehen ist, soll insbesondere verstanden werden, dass das Objekt diese bestimmte Funktion in zumindest einem Anwendungs- und/oder Betriebszustand erfüllt und/oder ausführt.The term "intended" should be understood to mean specifically programmed, designed, and/or equipped. The fact that an object is intended for a specific function should be understood to mean, in particular, that the object fulfills and/or executes this specific function in at least one application and/or operating state.

Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann eine Abhängigkeit von einer Verfügbarkeit des Sollbrennstoffs vorteilhaft gering gehalten werden.The design according to the invention advantageously minimizes dependence on the availability of the target fuel.

Weiter wird vorgeschlagen, dass in zumindest einem Verfahrensschritt des Verfahrens ein Zusatz zu dem Alternativbrennstoff gegeben wird, um eine Verwertbarkeit des Alternativbrennstoffs durch das Brennstoffzellensystem zu erhöhen. Bevorzugt ist der Zusatz dazu vorgesehen, eine Zusammensetzung des Alternativbrennstoffs in Richtung einer Zusammensetzung des Sollbrennstoffs zu verschieben. Besonders bevorzugt ist der Zusatz dazu vorgesehen, eine relative Häufigkeit von Atomsorten, insbesondere Kohlenstoff, Sauerstoff und/oder Wasserstoff, in dem Alternativbrennstoff in Richtung einer relativen Häufigkeit dieser Atomsorten in dem Sollbrennstoff zu verschieben. Vorzugsweise wird der Zusatz stromaufwärts des Reformers in den Alternativbrennstoff eingespeist oder außerhalb des Brennstoffzellensystems mit dem Alternativbrennstoff vermischt. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung unterscheiden sich Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems bei einem Betrieb mit dem Alternativbrennstoff und bei einem Betrieb mit dem Sollbrennstoff vorteilhaft wenig. Insbesondere kann ein Risiko und/oder Ausmaß einer Einschränkung eines Parameterraums der Betriebsparameter aufgrund eines Erreichens von maximal zulässigen Grenzwerten der Betriebsparameter bei einem Betrieb mit dem Alternativbrennstoff vorteilhaft klein gehalten werden. Insbesondere kann ein Risiko und/oder Ausmaß einer Leistungsbeschränkung der zumindest einen Brennstoffzelleneinheit bei Verwendung des Alternativbrennstoffs vorteilhaft gering gehalten werden.It is further proposed that an additive be added to the alternative fuel in at least one process step to increase its usability by the fuel cell system. Preferably, the additive is designed to shift the composition of the alternative fuel towards that of the target fuel. Particularly preferably, the additive is designed to shift the relative abundance of atomic species, especially carbon, oxygen, and/or hydrogen, in the alternative fuel towards that of the target fuel. Preferably, the additive is fed into the alternative fuel upstream of the reformer or mixed with the alternative fuel outside the fuel cell system. Due to the design according to the invention, the operating parameters of the fuel cell system differ advantageously only slightly when operating with the alternative fuel and when operating with the target fuel. In particular, the risk and/or extent of a restriction of the parameter range of the operating parameters due to reaching maximum permissible limits of the operating parameters when operating with the alternative fuel can be advantageously kept low. In particular, the risk and/or extent of a performance limitation of at least one fuel cell unit can be advantageously kept low when using the alternative fuel.

Weiter wird vorgeschlagen, dass in zumindest einem Verfahrensschritt dem Alternativbrennstoff Wasser als Zusatz beigemengt wird, um eine Zusammensetzung des Alternativbrennstoffs in Richtung einer Zusammensetzung des Sollbrennstoffs zu verschieben. Die Steuer- oder Regeleinheit kann die Einspeisung von Wasser in den Alternativbrennstoff steuern, insbesondere vorsteuern, beispielsweise in Abhängigkeit von einer erfassten Zufuhrrate an dem Alternativbrennstoff und/oder regeln, beispielsweise mittels eines Feuchtigkeitssensors und/oder der Lambdasonde stromabwärts einer Einspeisestelle des Wassers in den Alternativbrennstoff. Das als Zusatz eingespeiste Wasser wird insbesondere zusätzlich zu einer Basismenge an Wasser in den Alternativbrennstoff eingespeist, welche zu einer Dampfreformierung des Sollbrennstoffs ausgelegt ist. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann eine Dampfreformierung des Alternativbrennstoffs in dem Reformer vorteilhaft effektiv gehalten werden. Insbesondere kann bei gegebener Brennstoffnutzung des Brennstoffzellensystems die Rezirkulationsrate der Abgasrückspeisung vorteilhaft klein gehalten werden. Insbesondere kann ein Risiko eines Erreichens einer maximalen Drehzahl der Brennstofffördereinheit vorteilhaft klein gehalten werden.It is further proposed that, in at least one process step, water is added to the alternative fuel to shift its composition closer to that of the target fuel. The control unit can control the injection of water into the alternative fuel, in particular by pre-controlling it, for example, depending on a detected feed rate at the alternative fuel, and/or by regulating it, for example, by means of a humidity sensor and/or the lambda probe downstream of the water injection point into the alternative fuel. The water injected as an additive is fed into the alternative fuel in addition to a base quantity of water designed for steam reforming of the target fuel. The design according to the invention allows steam reforming of the alternative fuel in the reformer to be advantageously efficient. In particular, given a certain fuel utilization rate of the fuel cell system, the recirculation rate of the exhaust gas recirculation can be advantageously kept low. In particular, the risk of reaching a maximum speed of the fuel delivery unit can be advantageously minimized.

Weiter wird vorgeschlagen, dass eine Wasserzufuhrrate zu dem Alternativbrennstoff von einer vorgegebenen Brennstoffnutzung des Brennstoffzellensystems und einer maximalen Förderleistung einer Brennstofffördereinheit des Brennstoffzellensystems eingestellt wird. Vorzugsweise wird zumindest so viel des Zusatzes in den Alternativbrennstoff eingespeist, dass ein notwendiger Volumenstrom des Alternativbrennstoffs zum Erreichen der vorgegebenen Brennstoffnutzung durch die maximale Förderleistung der Brennstofffördereinheit bereitgestellt werden kann. Besonders bevorzugt wird zumindest so viel des Zusatzes in den Alternativbrennstoff eingespeist, dass der notwendige Volumenstrom des Alternativbrennstoffs zum Erreichen der vorgegebenen Brennstoffnutzung durch eine Förderleistung der Brennstofffördereinheit bereitgestellt werden kann, welche zumindest 1 %, bevorzugt zumindest 5 %, besonders bevorzugt zumindest 10 %, unterhalb der maximalen Förderleistung der Brennstofffördereinheit liegt. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann eine notwendige Beschränkung der maximal bereitstellbaren Leistung der elektrochemischen Einheit aufgrund eines nicht durch die Brennstofffördereinheit bereitstellbaren Volumenstroms bei Verwendung des Alternativbrennstoffs vorteilhaft gering gehalten, insbesondere in vorteilhaft vielen Betriebssituationen vermieden, werden.It is further proposed that a water supply rate to the alternative fuel is set based on a predetermined fuel utilization of the fuel cell system and a maximum delivery rate of a fuel delivery unit of the fuel cell system. Preferably, at least enough of the additive is fed into the alternative fuel to ensure that the necessary volume flow rate of the alternative fuel for achieving the predetermined fuel utilization can be provided by the maximum delivery rate of the fuel delivery unit. Particularly preferably, at least enough of the additive is fed into the alternative fuel to ensure that the necessary volume flow rate of the alternative fuel for achieving the predetermined fuel utilization is provided by the maximum delivery rate of the fuel delivery unit. The fuel utilization can be provided by a delivery rate of the fuel delivery unit which is at least 1%, preferably at least 5%, particularly preferably at least 10% below the maximum delivery rate of the fuel delivery unit. The design according to the invention advantageously minimizes, and in particular avoids, the necessary limitation of the maximum available power of the electrochemical unit due to a volume flow rate not provided by the fuel delivery unit when using the alternative fuel, in many advantageous operating situations.

Ferner wird vorgeschlagen, dass das Wasser einem Rezirkulat des Alternativbrennstoffs beigemengt wird. Insbesondere wird das Wasser in die Abgasrückspeisung und/oder stromabwärts einer Mündungsstelle der Abgasrückspeisung in die Brennstoffversorgungsleitung eingespeist. Das Wasser wird besonders bevorzugt stromaufwärts des Reformers in die Brennstoffversorgungsleitung oder die Abgasrückspeisung eingespeist. Besonders bevorzugt wird das Wasser mit Prozesswärme der zumindest einen Brennstoffzelleneinheit verdampft. Das Wasser wird beispielsweise vor einer Einspeisung in das Rezirkulat mittels eines Abgaswärmeübertragers verdampft, der mit einem Fluidauslass der zumindest einen Brennstoffzelleneinheit verbunden ist. Beispielsweise wird das, insbesondere flüssige, Wasser direkt in die Abgasrückspeisung eingespeist, insbesondere eingesprüht, sodass es innerhalb der Abgasrückspeisung durch den direkten Kontakt mit dem Rezirkulat verdampft. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann ein durch die Brennstofffördereinheit zu erbringender Volumenstrom bei einem Betrieb mit dem Alternativbrennstoff vorteilhaft klein gehalten werden.Furthermore, it is proposed that the water be added to a recirculated alternative fuel. In particular, the water is fed into the exhaust gas recirculation system and/or downstream of an outlet of the exhaust gas recirculation system into the fuel supply line. The water is particularly preferably fed upstream of the reformer into the fuel supply line or the exhaust gas recirculation system. The water is particularly preferably evaporated using process heat from the at least one fuel cell unit. For example, the water is evaporated before being fed into the recirculated fuel by means of an exhaust gas heat exchanger connected to a fluid outlet of the at least one fuel cell unit. For example, the water, particularly in liquid form, is fed directly into the exhaust gas recirculation system, especially by spraying, so that it evaporates within the exhaust gas recirculation system through direct contact with the recirculated fuel. The design according to the invention allows the volume flow rate to be advantageously kept low by the fuel delivery unit during operation with the alternative fuel.

Weiter wird vorgeschlagen, dass eine vorgegebenen Brennstoffnutzung des Brennstoffzellensystems unabhängig von der Art des verwendeten Brennstoffs gehalten wird. Vorzugsweise passt die Steuer- oder Regeleinheit den Sollwert und/oder den Grenzwert der Brennstoffnutzung bei einem Wechsel des Brennstoffs nicht an. Vorzugsweise verwendet die Steuer- oder Regeleinheit für den Sollbrennstoff und den Alternativbrennstoff denselben Sollwert der Brennstoffnutzung. Vorzugsweise ist der Sollwert unabhängig von dem verwendeten Brennstoff größer als 0,8. Vorzugsweise wird eine Menge des Zusatzes zu dem Alternativbrennstoff abhängig von dem Sollwert der Brennstoffnutzung gesteuert oder geregelt. Die Steuer -oder Regeleinheit ist besonders bevorzugt dazu vorgesehen, die Brennstoffnutzung unabhängig von dem verwendeten Brennstoff unter einem Wert von 1 zu halten. Vorzugsweise ist der Grenzwert unabhängig von dem verwendeten Brennstoff kleiner als 1. Eine lokale Brennstoffnutzung der zumindest einen elektrochemischen Einheit und/oder die Rezirkulationsrate der Abgasrückspeisung stellt die Steuer- oder Regeleinheit vorzugsweise in Abhängigkeit von dem verwendeten Brennstoff, der Brennstoffnutzung des Brennstoffzellensystems, der zu erbringenden Leistung des Brennstoffzellensystems, einem Verschleißzustand der Brennstoffzelleneinheit oder dergleichen ein. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung liegen Betriebspunkte des Brennstoffzellensystems bei Verwendung unterschiedlicher Brennstoffe vorteilhaft nah beieinander.It is further proposed that a predetermined fuel utilization of the fuel cell system be maintained regardless of the type of fuel used. Preferably, the control unit does not adjust the setpoint and/or limit value of the fuel utilization when the fuel is changed. Preferably, the control unit uses the same setpoint for fuel utilization for both the target fuel and the alternative fuel. Preferably, the setpoint is greater than 0.8, regardless of the fuel used. Preferably, the quantity of the additive to the alternative fuel is controlled or regulated depending on the setpoint for fuel utilization. The control unit is particularly preferably designed to maintain the fuel utilization below a value of 1, regardless of the fuel used. Preferably, the limit value is less than 1, regardless of the fuel used. The control unit preferably adjusts the local fuel utilization of the at least one electrochemical unit and/or the recirculation rate of the exhaust gas recirculation based on the fuel used, the fuel utilization of the fuel cell system, the power output of the fuel cell system, the wear condition of the fuel cell unit, or the like. Due to the design according to the invention, the operating points of the fuel cell system are advantageously close together when using different fuels.

Weiter wird vorgeschlagen, dass in zumindest einem Verfahrensschritt des Verfahrens eine Zusammensetzung des verwendeten Brennstoffs erfasst wird. Beispielsweise wird die Zusammensetzung mit dem bereits erwähnten Massenspektrometer des Brennstoffzellensystems erfasst. Beispielsweise wird zumindest ein relativer Sauerstoffanteil, insbesondere ein Sauerstoffmangel, des verwendeten Brennstoffs mit der bereits erwähnten Lambdasonde des Brennstoffzellensystems erfasst, in Abhängigkeit dessen die Steuer- oder Regeleinheit auf die Zusammensetzung des verwendeten Brennstoffs schließt. Beispielsweise wird zumindest ein Wasseranteil des verwendeten Brennstoffs mittels des Feuchtigkeitssensors erfasst. Vorzugsweise aktiviert oder deaktiviert die Steuer- oder Regeleinheit in Abhängigkeit der erfassten Zusammensetzung eine Steuer- oder Regelroutine zur Verwertung des Sollbrennstoffs und/oder eine Steuer- oder Regelroutine zur Verwertung des Alternativbrennstoffs, insbesondere eine Zugabe des Zusatzes zu dem verwendeten Brennstoff. Alternativ oder zusätzlich schließt die Steuer- oder Regeleinheit aus einer erfassten Strömungsrate des Alternativbrennstoffs und einer erfassten Strömungsrate des Zusatzes stromaufwärts einer Vermischung der Stoffe auf eine Zusammensetzung des verwendeten Brennstoffs stromabwärts des Vermischens. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann eine Menge des Zusatzes vorteilhaft präzise eingestellt werden.It is further proposed that in at least one process step, the composition of the fuel used is determined. For example, the composition is determined using the aforementioned mass spectrometer of the fuel cell system. For example, at least a relative oxygen content, in particular an oxygen deficiency, of the fuel used is determined using the aforementioned lambda probe of the fuel cell system, based on which the control unit infers the composition of the fuel used. For example, at least a water content of the fuel used is determined by means of the humidity sensor. Preferably, depending on the determined composition, the control unit activates or deactivates a control routine for utilizing the target fuel and/or a control routine for utilizing the alternative fuel, in particular the addition of the additive to the fuel used. Alternatively or additionally, the control unit infers the composition of the fuel used downstream of the mixing point from a determined flow rate of the alternative fuel and a determined flow rate of the additive upstream of a mixing point. The design according to the invention allows the quantity of the additive to be advantageously precisely controlled.

Weiter wird vorgeschlagen, dass in zumindest einem Verfahrensschritt des Verfahrens eine Zusammensetzung des verwendeten Brennstoffs geregelt wird. Vorzugsweise stellt die Steuer- oder Regeleinheit die Strömungsrate des Zusatzes in Abhängigkeit von der Zusammensetzung des verwendeten Brennstoffs stromabwärts der Einspeisung des Zusatzes in den verwendeten Brennstoff ein. Vorzugsweise legt die Steuer- oder Regeleinheit einen Sollwert der Zusammensetzung in Abhängigkeit von der maximalen Förderleistung der Brennstofffördereinheit und/oder der vorgegebenen Brennstoffnutzung fest oder liest diesen aus einem Speicher der Steuer- oder Regeleinheit aus. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann ein Bediener des Brennstoffzellensystems mit vorteilhaft wenig Aufwand zwischen unterschiedlichen Brennstoffen wechseln.It is further proposed that in at least one process step of the process, the composition of the fuel used is controlled. Preferably, the control unit adjusts the flow rate of the additive downstream of the additive injection point into the fuel used, depending on the composition of the fuel. Preferably, the control unit sets a setpoint for the composition depending on the maximum delivery rate of the fuel delivery unit and/or the specified fuel utilization, or reads this setpoint from a memory of the control unit. The design according to the invention allows an operator of the fuel cell system to advantageously Switching between different fuels requires little effort.

Ferner wird vorgeschlagen, dass als Alternativbrennstoff Autogas, insbesondere im Sinne von DIN EN 589, verwendet wird. Der Alternativbrennstoff umfasst vorzugsweise Propan und/oder Butan als Hauptenergieträger. Alternativ wird als Alternativbrennstoff ein anderes Flüssiggas, englisch Liquefied Petroleum Gas, kurz LPG, verwendet, welches Propan, Butan, Propen, Buten, Isobutan und/oder Isobuten als Hauptenergieträger umfasst. Bevorzugt beträgt ein Volumenanteil der Hauptenergieträger an dem Alternativbrennstoff in Summe und/oder ein Volumenanteil eines einzelnen Hauptenergieträgers an dem Alternativbrennstoff mehr als 50 %, bevorzugt mehr als 70 %, besonders bevorzugt mehr als 90 %. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann das Brennstoffzellensystem mit einem vorteilhaft leicht verfügbaren Alternativbrennstoff betrieben werden.Furthermore, it is proposed that autogas, particularly as defined in DIN EN 589, be used as an alternative fuel. The alternative fuel preferably comprises propane and/or butane as the main energy carrier. Alternatively, another liquefied petroleum gas (LPG) is used as the alternative fuel, comprising propane, butane, propene, butene, isobutane, and/or isobutene as the main energy carrier. Preferably, the volume fraction of the main energy carriers in the alternative fuel, in total, and/or the volume fraction of a single main energy carrier in the alternative fuel, is more than 50%, preferably more than 70%, and particularly preferably more than 90%. The design according to the invention allows the fuel cell system to be operated with an advantageously readily available alternative fuel.

Ferner wird eine Mischvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens vorgeschlagen, welches zumindest eine Mischeinheit mit zumindest einem Brennstoffeinlass und mit zumindest einem Wassereinlass umfasst. Der Wassereinlass ist vorzugsweise dazu vorgesehen, das Wasser dampfförmig in den Alternativbrennstoff, insbesondere in das Rezirkulat des Alternativbrennstoffs, einzuspeisen. Die Mischvorrichtung umfasst an dem Wassereinlass vorzugsweise zumindest ein Dosierelement, insbesondere ein Proportionalventil und/oder eine Fluidfördereinheit, beispielsweise ein Gebläse, Ventilator oder Verdichter. Die Mischeinheit umfasst vorzugsweise zumindest einen Brennstoffauslass zu einer Übergabe des mit Wasser angereicherten Alternativbrennstoffs an die Brennstoffversorgungsleitung, insbesondere den Reformer, des Brennstoffzellensystems. In einer vorteilhaft einfachen Ausgestaltung ist die Mischeinheit als T-Leitungsstück ausgebildet. In einer vorteilhaften Weiterentwicklung umfasst die Mischeinheit eine Mischkammer und/oder zumindest einen Statikmischer zu einer Vermischung des Alternativbrennstoffs mit dem Wasser. Die Mischvorrichtung umfasst vorzugsweise zumindest ein Messelement zu einer Erfassung einer Zusammensetzung des durch den Brennstoffauslass strömenden Brennstoffs. Das Messelement ist beispielsweise das bereits genannte Massenspektrometer, die bereits genannte Lambdasonde oder der bereits genannte Feuchtigkeitssensor, welches an der Mischeinheit, insbesondere an dem Brennstoffauslass angeordnet ist. Alternativ umfasst die Mischvorrichtung als Messelemente je einen Strömungsmesser und/oder Druckmesser in dem Brennstoffeinlass und in dem Wassereinlass, um ein Mischungsverhältnis des Alternativbrennstoffs und des Wasserstoffs zu ermitteln. Die Mischvorrichtung umfasst vorzugsweise die bereits genannte Steuer- oder Regeleinheit zu einer Einstellung des Dosierelements, insbesondere in Abhängigkeit von dem zumindest einen Messelement. Die Mischvorrichtung umfasst vorzugsweise zumindest eine Verdampfereinheit, zu einem Verdampfen des Wassers. Das Dosierelement ist vorzugsweise fluidtechnisch zwischen der Verdampfereinheit und der Mischeinheit angeordnet. Die Verdampfereinheit umfasst vorzugsweise zumindest einen Wärmeübertrager zu einem Anschluss einer Abgasleitung des Brennstoffzellensystems, der zu einer Wärmeübertragung auf das zu verdampfende flüssige Wasser vorgesehen ist. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann ein Brennstoffzellensystem vorteilhaft unabhängig von einem speziellen Brennstoff betrieben werden.Furthermore, a mixing device for a fuel cell system for carrying out a method according to the invention is proposed, comprising at least one mixing unit with at least one fuel inlet and at least one water inlet. The water inlet is preferably designed to feed the water in vapor form into the alternative fuel, in particular into the recirculated alternative fuel. The mixing device preferably includes at least one metering element at the water inlet, in particular a proportional valve and/or a fluid conveying unit, for example a blower, fan, or compressor. The mixing unit preferably includes at least one fuel outlet for transferring the water-enriched alternative fuel to the fuel supply line, in particular the reformer, of the fuel cell system. In an advantageously simple embodiment, the mixing unit is designed as a T-piece. In an advantageous further development, the mixing unit comprises a mixing chamber and/or at least one static mixer for mixing the alternative fuel with the water. The mixing device preferably includes at least one measuring element for detecting the composition of the fuel flowing through the fuel outlet. The measuring element is, for example, the aforementioned mass spectrometer, lambda probe, or humidity sensor, which is arranged on the mixing unit, particularly at the fuel outlet. Alternatively, the mixing device comprises, as measuring elements, a flow meter and/or pressure sensor each in the fuel inlet and in the water inlet to determine a mixing ratio of the alternative fuel and the hydrogen. The mixing device preferably includes the aforementioned control unit for adjusting the metering element, particularly depending on the at least one measuring element. The mixing device preferably includes at least one evaporator unit for evaporating the water. The metering element is preferably arranged fluidically between the evaporator unit and the mixing unit. The evaporator unit preferably includes at least one heat exchanger for connecting an exhaust gas line of the fuel cell system, which is provided for heat transfer to the liquid water to be evaporated. Due to the design according to the invention, a fuel cell system can advantageously be operated independently of a specific fuel.

Darüber hinaus wird ein Brennstoffzellensystem mit zumindest einer, insbesondere der bereits genannten, Brennstoffzelleneinheit zu einer elektrochemischen Umsetzung eines Brennstoffs und mit zumindest einer erfindungsgemäßen Mischvorrichtung vorgeschlagen. Das Brennstoffzellensystem kann genau eine Brennstoffzelleneinheit oder mehrere, insbesondere baugleiche, Brennstoffzelleneinheiten umfassen, welche insbesondere zu einem voneinander unabhängigen Betrieb vorgesehen sind. Umfasst das Brennstoffzellensystem mehrere Brennstoffzelleneinheiten, sind diese vorzugsweise fluidtechnisch parallel an einer zentralen Brennstoffversorgungsleitung des Brennstoffzellensystems angeschlossen. Das Brennstoffzellensystem umfasst vorzugsweise zumindest einen Reformer zu einer Reformierung, insbesondere Dampfreformierung des verwenden Brennstoffstoffs stromaufwärts der zumindest einen Brennstoffzelleneinheit. Das Brennstoffzellensystem umfasst vorzugsweise zumindest eine Abgasrückspeisung, welche einen Auslass der zumindest einen Brennstoffzelleneinheit mit der Brennstoffversorgungsleitung fluidtechnisch verbindet und zu einer Rückspeisung von Abgas in den verwendeten Brennstoff vorgesehen ist. Die Abgasrückspeisung mündet vorzugsweise stromaufwärts des Reformers in die Brennstoffversorgungsleitung. Die Mischvorrichtung ist vorzugsweise an der Abgasrückspeisung integriert oder stromabwärts der Mündungsstelle der Abgasrückspeisung in der Brennstoffversorgungsleitung angeordnet. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann ein vorteilhaft vielseitig einsetzbares Brennstoffzellensystem bereitgestellt werden, das vorteilhaft unabhängig von einer Verfügbarkeit eines speziellen Brennstoffs betrieben werden kann.Furthermore, a fuel cell system is proposed comprising at least one fuel cell unit, in particular one of those already mentioned, for the electrochemical conversion of a fuel and with at least one mixing device according to the invention. The fuel cell system can comprise exactly one fuel cell unit or several, in particular structurally identical, fuel cell units, which are preferably designed for independent operation. If the fuel cell system comprises several fuel cell units, these are preferably connected in parallel via fluid technology to a central fuel supply line of the fuel cell system. The fuel cell system preferably comprises at least one reformer for reforming, in particular steam reforming, the fuel used upstream of the at least one fuel cell unit. The fuel cell system preferably comprises at least one exhaust gas recirculation system, which fluidly connects an outlet of the at least one fuel cell unit to the fuel supply line and is designed for feeding exhaust gas back into the fuel used. The exhaust gas recirculation system preferably opens into the fuel supply line upstream of the reformer. The mixing device is preferably integrated into the exhaust gas recirculation system or arranged downstream of the exhaust gas recirculation outlet in the fuel supply line. The design according to the invention allows for the provision of an advantageously versatile fuel cell system that can be operated independently of the availability of a specific fuel.

Das erfindungsgemäße Verfahren, die erfindungsgemäße Mischvorrichtung und/oder das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem sollen/soll hierbei nicht auf die oben beschriebene Anwendung und Ausführungsform beschränkt sein. Insbesondere kann das erfindungsgemäße Verfahren, die erfindungsgemäße Mischvorrichtung und/oder das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem zu einer Erfüllung einer hierin beschriebenen Funktionsweise eine von einer hierin genannten Anzahl von einzelnen Elementen, Bauteilen und Einheiten sowie Verfahrensschritten abweichende Anzahl aufweisen. Zudem sollen bei den in dieser Offenbarung angegebenen Wertebereichen auch innerhalb der genannten Grenzen liegende Werte als offenbart und als beliebig einsetzbar gelten.The inventive method, the inventive mixing device and/or the inventive fuel cell system are not/should not be limited to the application and embodiment described above. In particular, the inventive method, the The mixing device according to the invention and/or the fuel cell system according to the invention may, to achieve a mode of operation described herein, have a different number of individual elements, components, units, and process steps than the number specified herein. Furthermore, values within the specified limits of the value ranges stated in this disclosure shall also be considered disclosed and freely usable.

ZeichnungenDrawings

Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Zeichnungen, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.Further advantages will become apparent from the following description of the drawings. The drawings illustrate an embodiment of the invention. The drawings, the description, and the claims contain numerous features in combination. A person skilled in the art will expediently consider the features individually and combine them into meaningful further combinations.

Es zeigen:

  • 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems mit einer erfindungsgemäßen Mischvorrichtung und
  • 2 ein schematisches Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
They show:
  • 1 a schematic representation of a fuel cell system according to the invention with a mixing device according to the invention and
  • 2 a schematic flowchart of a method according to the invention.

Beschreibung des AusführungsbeispielsDescription of the exemplary embodiment

1 zeigt ein Brennstoffzellensystem 12. Das Brennstoffzellensystem 12 umfasst zumindest eine Brennstoffzelleneinheit 24 zu einer elektrochemischen Umsetzung eines Sollbrennstoffs. Die Brennstoffzelleneinheit 24 umfasst beispielsweise zumindest eine Festoxidbrennstoffzelle, vorzugsweise mehrere, insbesondere zumindest 100 Festoxidbrennstoffzellen. Das Brennstoffzellensystem 12 umfasst vorzugsweise zumindest eine Brennstoffversorgungsleitung 26, die zu einer Versorgung der zumindest einen Brennstoffzelleneinheit 24 mit einem Brennstoff, insbesondere dem Sollbrennstoff, an dieser angeschlossen ist. Das Brennstoffzellensystem 12 umfasst vorzugsweise zumindest eine Sauerstoffversorgungsleitung 28, die zu einer Versorgung der zumindest einen Brennstoffzelleneinheit 24 mit Sauerstoff, insbesondere Luft, an dieser angeschlossen ist. Das Brennstoffzellensystem 12 umfasst vorzugsweise zumindest einen Nachbrenner 32, welcher zu einer Verwertung von Brennstoffresten in einem Abgas der zumindest einen Brennstoffzelleneinheit 24 an Fluidauslässen der zumindest einen Brennstoffzelleneinheit 24 angeschlossen ist. Das Brennstoffzellensystem 12 umfasst vorzugsweise zumindest eine Abgasleitung 30, welche zu einer Abfuhr von Abgasen an dem zumindest einen Nachbrenner 32 angeschlossen ist. Das Brennstoffzellensystem 12 umfasst vorzugsweise zumindest eine Abgasrückspeisung 42, welche von einem, insbesondere dem anodenseitigen, der Fluidauslässe der zumindest einen Brennstoffzelleneinheit 24, insbesondere stromaufwärts des Nachbrenners 32, abzweigt und in die Brennstoffversorgungsleitung 26 mündet. Die Abgasrückspeisung 42 ist vorzugsweise dazu vorgesehen, ein Abgas der zumindest einen Brennstoffzelleneinheit 24 mit darin enthaltenen Brennstoffresten zurück in die Brennstoffversorgungsleitung 26 einzuspeisen. Das Abgas mit den Brennstoffresten, welches durch die Abgasrückspeisung 42 strömt, wird auch als Rezirkulat des Brennstoffs bezeichnet. 1 Figure 1 shows a fuel cell system 12. The fuel cell system 12 comprises at least one fuel cell unit 24 for the electrochemical conversion of a desired fuel. The fuel cell unit 24 comprises, for example, at least one solid oxide fuel cell, preferably several, and in particular at least 100, solid oxide fuel cells. The fuel cell system 12 preferably comprises at least one fuel supply line 26, which is connected to the at least one fuel cell unit 24 for supplying it with a fuel, in particular the desired fuel. The fuel cell system 12 preferably comprises at least one oxygen supply line 28, which is connected to the at least one fuel cell unit 24 for supplying it with oxygen, in particular air. The fuel cell system 12 preferably comprises at least one afterburner 32, which is connected to fluid outlets of the at least one fuel cell unit 24 for the utilization of fuel residues in an exhaust gas of the at least one fuel cell unit 24. The fuel cell system 12 preferably comprises at least one exhaust gas line 30, which is connected to the at least one afterburner 32 for the purpose of exhaust gas removal. The fuel cell system 12 preferably comprises at least one exhaust gas recirculation system 42, which branches off from one of the fluid outlets of the at least one fuel cell unit 24, particularly the anode-side outlet, and especially upstream of the afterburner 32, and opens into the fuel supply line 26. The exhaust gas recirculation system 42 is preferably designed to feed exhaust gas from the at least one fuel cell unit 24, containing fuel residues, back into the fuel supply line 26. The exhaust gas with the fuel residues, which flows through the exhaust gas recirculation system 42, is also referred to as fuel recirculation.

Das Brennstoffzellensystem 12 umfasst entlang der Brennstoffversorgungsleitung 26 vorzugsweise, insbesondere in dieser Reihenfolge, ein Brennstoffdosierelement 34, eine Brennstofffördereinheit 14, einen Rezirkulatrekuperator 36, einen Abgas-Brennstoff-Wärmeübertrager 38 und/oder einen Reformer 40. Das Brennstoffdosierelement 34 ist vorzugsweise zu einer Einstellung einer Zufuhrrate an frischem Brennstoff vorgesehen und kann beispielsweise als Proportionalventil, Gebläse, Verdichter oder dergleichen ausgebildet sein. Das Brennstoffdosierelement 34 ist vorzugsweise bezogen auf den frischen Brennstoff stromaufwärts einer Mündungsstelle der Abgasrückspeisung 42 in die Brennstoffversorgungsleitung 26 angeordnet. Die Brennstofffördereinheit 14 ist vorzugsweise zu einer Einstellung einer Rezirkulationsrate durch die Abgasrückspeisung 42 vorgesehen. Die Brennstofffördereinheit 14 ist hier in der Brennstoffversorgungsleitung 26 angeordnet dargestellt. Innerhalb der Brennstoffversorgungsleitung 26 ist die Brennstofffördereinheit 14 vorzugsweise stromabwärts der Mündungsstelle der Abgasrückspeisung 42 in die Brennstoffversorgungsleitung 26 angeordnet. Alternativ ist die Brennstofffördereinheit 14 in der Abgasrückspeisung 42 angeordnet. Die Brennstofffördereinheit 14 ist vorzugsweise als Gebläse oder Verdichter ausgebildet. Der Rezirkulatrekuperator 36 ist zu einer Übertragung von Wärme von der Abgasrückspeisung 42 auf die Brennstoffversorgungsleitung 26 vorgesehen. Der Abgas-Brennstoff-Wärmeübertrager 38 ist zu einer Übertragung von Wärme von der Abgasleitung 30 auf die Brennstoffversorgungsleitung 26 vorgesehen. Der Reformer 40 ist zu einer Reformierung, insbesondere Dampfreformierung des Brennstoffs vorgesehen.The fuel cell system 12 preferably comprises, along the fuel supply line 26, a fuel metering element 34, a fuel delivery unit 14, a recirculation recuperator 36, an exhaust gas-fuel heat exchanger 38, and/or a reformer 40, particularly in this order. The fuel metering element 34 is preferably designed to adjust the feed rate of fresh fuel and can, for example, be configured as a proportional valve, blower, compressor, or the like. The fuel metering element 34 is preferably arranged upstream of the outlet of the exhaust gas recirculation system 42 into the fuel supply line 26, relative to the fresh fuel. The fuel delivery unit 14 is preferably designed to adjust the recirculation rate through the exhaust gas recirculation system 42. The fuel delivery unit 14 is shown here arranged within the fuel supply line 26. Within the fuel supply line 26, the fuel delivery unit 14 is preferably arranged downstream of the point where the exhaust gas recirculation system 42 enters the fuel supply line 26. Alternatively, the fuel delivery unit 14 is arranged within the exhaust gas recirculation system 42. The fuel delivery unit 14 is preferably designed as a blower or compressor. The recirculation recuperator 36 is provided for transferring heat from the exhaust gas recirculation system 42 to the fuel supply line 26. The exhaust gas-fuel heat exchanger 38 is provided for transferring heat from the exhaust gas line 30 to the fuel supply line 26. The reformer 40 is provided for reforming, in particular steam reforming, the fuel.

Das Brennstoffzellensystem 12 umfasst zumindest eine Mischvorrichtung 16. Die Mischvorrichtung 16 ist zur Durchführung eines Verfahrens 10 vorgesehen, welches in 2 näher erläutert wird. Die Mischvorrichtung 16 ist vorzugsweise dazu vorgesehen, in einen von dem Sollbrennstoff unterschiedlichen Alternativbrennstoff Wasser einzuspeisen. Die Mischvorrichtung 10 umfasst zumindest eine Mischeinheit 18, welche zumindest einen Brennstoffeinlass 20 und zumindest ein Wassereinlass 22 umfasst. Die Mischeinheit 18 ist vorzugsweise in der Abgasrückspeisung 42 angeordnet. Der Brennstoffeinlass 20 ist vorzugsweise stromabwärts des Rezirkulatrekuperators 36 angeordnet. Ein Brennstoffauslass 44 der Mischeinheit ist vorzugsweise stromaufwärts der Mündungsstelle der Abgasrückspeisung 42 in die Brennstoffversorgungsleitung 24 angeordnet. Alternativ ist die Mischeinheit 18 an einer alternativen Position 18', 18", 18" innerhalb der Brennstoffversorgungsleitung 24 zwischen der Mündungsstelle der Abgasrückspeisung 42 und dem Reformer 40 angeordnet, beispielweise zwischen der Brennstofffördereinheit 14 und dem Rezirkulatrekuperator 36 oder zwischen dem Rezirkulatrekuperator 36 und dem Abgas-Brennstoff-Wärmeübertrager 38 oder zwischen dem Abgas-Brennstoff-Wärmeübertrager 38 und dem Reformer 40. Die Mischvorrichtung 16 umfasst vorzugsweise eine Verdampfereinheit 46 zu einem Verdampfen des in den Alternativbrennstoff einzuspeisenden Wassers. Die Verdampfereinheit 46 ist vorzugsweise an dem Wassereinlass 22 der Mischeinheit angeschlossen. Die Verdampfereinheit 46 umfasst vorzugsweise einen Abgaswärmeübertrager zu einer Übertragung von Wärme von der Abgasleitung 30 auf das zu verdampfende Wasser. Der Abgaswärmeübertrager der Verdampfereinheit 46 ist an der Abgasleitung 42 vorzugsweise stromabwärts des Abgas-Brennstoff-Wärmeübertragers 38 und insbesondere stromabwärts eines Abgas-Sauerstoff-Wärmeübertragers 48 der Sauerstoffversorgungsleitung 28 angeordnet. Alternativ ist der Wassereinlass 22 zu einer Einspeisung von flüssigem Wasser in die Mischeinheit 18 vorgesehen. Der Wassereinlass 22 umfasst beispielsweise zumindest ein Düse zu einem Einbringen des Wassers in das Rezirkulat. Bei einer flüssigen Einbringung des Wassers kann das Brennstoffzellensystem 12 einen zu der Verdampfereinheit 46 analog angeschlossenen Wasservorerwärmer umfassen. Die Mischvorrichtung 16 umfasst vorzugsweise zumindest ein Dosierelement 50, das zu einer Einstellung einer Wasserzufuhrrate zu der Mischeinheit 18 vorzugsweise stromaufwärts des Wasserseinlass 22 und insbesondere stromabwärts der Verdampfereinheit 46 angeordnet ist. Die Mischvorrichtung 16 umfasst vorzugsweise zumindest ein Messelement 52 zu einer Erfassung einer Zusammensetzung des verwendeten Brennstoffs. Das Messelement 52 ist hier beispielhaft stromaufwärts des Reformers 40 an der Brennstoffversorgungsleitung 36 angeordnet. Das Messelement 52 ist beispielsweise als Feuchtigkeitssensor ausgebildet. Die Messvorrichtung 16 umfasst vorzugsweise eine Steuer- oder Regeleinheit 54 zu einem Einstellen des Dosierelements 50, insbesondere in Abhängigkeit von dem Messelement 52 und/oder in Abhängigkeit von einer Einstellung des Brennstoffdosierelements 34.The fuel cell system 12 comprises at least one mixing device 16. The mixing device 16 is designed to carry out a method 10, which is described in 2 This will be explained in more detail. The mixing device 16 is preferably designed to feed water into an alternative fuel that differs from the intended fuel. The mixing device 10 comprises at least A mixing unit 18, comprising at least one fuel inlet 20 and at least one water inlet 22. The mixing unit 18 is preferably arranged in the exhaust gas recirculation system 42. The fuel inlet 20 is preferably arranged downstream of the recirculation recuperator 36. A fuel outlet 44 of the mixing unit is preferably arranged upstream of the outlet of the exhaust gas recirculation system 42 into the fuel supply line 24. Alternatively, the mixing unit 18 is arranged at an alternative position 18', 18", 18" within the fuel supply line 24 between the outlet of the exhaust gas recirculation 42 and the reformer 40, for example between the fuel delivery unit 14 and the recirculation recuperator 36, or between the recirculation recuperator 36 and the exhaust gas-fuel heat exchanger 38, or between the exhaust gas-fuel heat exchanger 38 and the reformer 40. The mixing device 16 preferably comprises an evaporator unit 46 for evaporating the water to be fed into the alternative fuel. The evaporator unit 46 is preferably connected to the water inlet 22 of the mixing unit. The evaporator unit 46 preferably comprises an exhaust gas heat exchanger for transferring heat from the exhaust gas line 30 to the water to be evaporated. The exhaust gas heat exchanger of the evaporator unit 46 is preferably arranged on the exhaust gas line 42 downstream of the exhaust gas-fuel heat exchanger 38 and, in particular, downstream of an exhaust gas-oxygen heat exchanger 48 of the oxygen supply line 28. Alternatively, the water inlet 22 is provided for feeding liquid water into the mixing unit 18. The water inlet 22 includes, for example, at least one nozzle for introducing the water into the recirculated fluid. If the water is introduced in liquid form, the fuel cell system 12 can include a water preheater connected analogously to the evaporator unit 46. The mixing device 16 preferably includes at least one metering element 50, which is preferably arranged upstream of the water inlet 22 and, in particular, downstream of the evaporator unit 46 for adjusting the water supply rate to the mixing unit 18. The mixing device 16 preferably comprises at least one measuring element 52 for detecting the composition of the fuel used. The measuring element 52 is shown here, by way of example, arranged upstream of the reformer 40 on the fuel supply line 36. The measuring element 52 is, for example, designed as a moisture sensor. The measuring device 16 preferably comprises a control unit 54 for adjusting the metering element 50, in particular depending on the measuring element 52 and/or depending on a setting of the fuel metering element 34.

2 zeigt ein Flussdiagramm des Verfahrens 10 zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems 12. Das Brennstoffzellensystem 12 ist zu einem Betrieb mit dem Sollbrennstoff, insbesondere Erdgas, ausgelegt. Die Mischvorrichtung 16 ist dazu vorgesehen, das Brennstoffzellensystem 12 mit einem Alternativbrennstoff effizient zu betreiben. Die Mischvorrichtung 16 ist besonders bevorzugt dazu vorgesehen, das für Erdgas ausgelegte Brennstoffzellensystem 12 mit Autogas und/oder einem anderen Flüssiggas als Alternativbrennstoff effizient zu betreiben. 2 Figure 1 shows a flowchart of the process 10 for operating a fuel cell system 12. The fuel cell system 12 is designed for operation with the target fuel, in particular natural gas. The mixing device 16 is provided for the efficient operation of the fuel cell system 12 with an alternative fuel. The mixing device 16 is particularly preferably provided for the efficient operation of the fuel cell system 12, which is designed for natural gas, with LPG and/or another liquefied petroleum gas as an alternative fuel.

Das Verfahren 10 umfasst vorzugsweise eine Brennstoffwahl 56, in welcher der Sollbrennstoff oder der Alternativbrennstoff in die Brennstoffversorgungsleitung 26 des Brennstoffzellensystems 12 eingespeist wird. Wird der Sollbrennstoff eingespeist, wird vorzugsweise ein regulären Betrieb 60 des Brennstoffzellensystems 12 ausgeführt. In dem regulären Betrieb 60 führt die Steuer- oder Regeleinheit 54 vorzugsweise ein an sich bekanntes Regelverfahren zum Betrieb der zumindest einen Brennstoffzelleneinheit 24 aus oder sendet ein Freigabesignal an eine übergeordnete Steuer- oder Regelvorrichtung des Brennstoffzellensystems 12 zur Durchführung des Regelverfahrens. Das Regelverfahren umfasst beispielsweise eine Regelung einer Brennstoffnutzung des Brennstoffzellensystems 12 bei einer vorgegebenen elektrischen und/oder thermischen Sollleistung des Brennstoffzellensystems 12. Wird der Alternativbrennstoff eingespeist, führt die Steuer- oder Regeleinheit 54 vorzugsweise einen Brennstoffanpassungsschritt 58 aus.The method 10 preferably comprises a fuel selection 56 in which the target fuel or the alternative fuel is fed into the fuel supply line 26 of the fuel cell system 12. If the target fuel is fed in, regular operation 60 of the fuel cell system 12 is preferably carried out. In regular operation 60, the control unit 54 preferably executes a control procedure known per se for operating the at least one fuel cell unit 24 or sends an enable signal to a higher-level control device of the fuel cell system 12 for carrying out the control procedure. The control procedure includes, for example, controlling the fuel utilization of the fuel cell system 12 at a predetermined electrical and/or thermal target output of the fuel cell system 12. If the alternative fuel is fed in, the control unit 54 preferably performs a fuel adjustment step 58.

Die Steuer- oder Regeleinheit 54 kann dazu vorgesehen sein, die Art des eingespeisten Brennstoffs mittels einer Bedienereingabe abzufragen und/oder selbsttätig zu ermitteln. Beispielsweise ermittelt die Steuer- oder Regeleinheit 54 die Art des Brennstoffs durch eine Analyse des Brennstoffs mittels des Messelements 52. Umfasst das Brennstoffzellensystem 12 einen spezifischen Fluidanschluss für den Alternativbrennstoff und einen spezifischen Fluidanschluss für den Sollbrennstoff, kann die Steuer- oder Regeleinheit 54 beispielsweise mittels spezifischer Durchflusssensoren, mittels spezifischer Drucksensoren, mittels spezifischer Ventilstellungen an den Fluidanschlüssen und/oder mittels einer Stellung eines Umschaltelements zwischen den Fluidanschlüssen ermitteln, durch welchen spezifischen Fluidanschluss Brennstoff eingespeist wird. Weist das Brennstoffzellensystem 12 spezifische Fluideinlässe für unterschiedliche Brennstoffe auf, sind diese gemäß dem Poka Yoke-Prinzip bevorzugt unterschiedlich ausgestaltet.The control unit 54 can be configured to query the type of fuel being supplied via operator input and/or to determine it automatically. For example, the control unit 54 determines the type of fuel by analyzing the fuel using the measuring element 52. If the fuel cell system 12 includes a specific fluid connection for the alternative fuel and a specific fluid connection for the target fuel, the control unit 54 can determine, for example, which specific fluid connection is supplying fuel through specific flow sensors, specific pressure sensors, specific valve positions at the fluid connections, and/or the position of a switching element between the fluid connections. If the fuel cell system 12 has specific fluid inlets for different fuels, these are preferably designed differently according to the Poka-Yoke principle.

In dem Brennstoffanpassungsschritt 58 wird ein Zusatz zu dem Alternativbrennstoff hinzugegeben, um eine Verwertbarkeit des Alternativbrennstoffs durch das Brennstoffzellensystem 12 zu erhöhen. Vorzugsweise stellt die Steuer- oder Regeleinheit 54 das Dosierelement 50 ein, um den Zusatz in den Alternativbrennstoff einzuspeisen. Die Zusammensetzung des verwendeten Brennstoffs wird vorzugsweise von dem Messelement 52 erfasst und von der Steuer- oder Regeleinheit 54 geregelt. Alternativ steuert die Steuer- oder Regeleinheit 54 das Dosierelement 50 in Abhängigkeit von der mittels des Brennstoffdosierelements 34 eingestellten Zufuhrrate des Alternativbrennstoffs. Alternativ öffnet oder schließt die Steuer- oder Regeleinheit 54 das Dosierelement 50 vollständig bei einem Wechsel des Brennstoffs. Als Zusatz wird dem Alternativbrennstoff Wasser, insbesondere Wasserdampf, beigemengt, insbesondere um ein Wasserstoff-Kohlenstoffverhältnis des Alternativbrennstoffs einzustellen. Das Wasser und der Alternativbrennstoff, insbesondere das Rezirkulat des Alternativbrennstoffs, werden in der Mischeinheit 18 vermischt und dem Reformer 40 zugeführt. Der Wasser wird vorzugsweise eingespeist, um einen höheren Kohlenstoffanteil des Alternativbrennstoffs verglichen mit dem Sollbrennstoff zu kompensieren und insbesondere eine Dampfreformierung des Alternativbrennstoffs zu ermöglichen. Eine Wasserzufuhrrate zu der Mischeinheit 18 wird in Abhängigkeit von der vorgegebenen Brennstoffnutzung des Brennstoffzellensystems 12 und einer maximalen Förderleistung der Brennstofffördereinheit 14 des Brennstoffzellensystems 12 eingestellt. Bevorzugt wird so viel Wasser eingespeist, dass eine Sollförderleistung der Brennstofffördereinheit 14 unterhalb der maximalen Förderleistung der Brennstofffördereinheit 14 liegt.In fuel adaptation step 58, an additive is added to the alternative fuel to ensure the usability of the alternative fuel. to increase the amount of fuel by the fuel cell system 12. Preferably, the control unit 54 adjusts the metering element 50 to feed the additive into the alternative fuel. The composition of the fuel used is preferably detected by the measuring element 52 and controlled by the control unit 54. Alternatively, the control unit 54 controls the metering element 50 depending on the feed rate of the alternative fuel set by the fuel metering element 34. Alternatively, the control unit 54 opens or closes the metering element 50 completely when changing fuels. Water, in particular steam, is added to the alternative fuel, especially to adjust the hydrogen-carbon ratio of the alternative fuel. The water and the alternative fuel, in particular the recirculated alternative fuel, are mixed in the mixing unit 18 and fed to the reformer 40. Water is preferably introduced to compensate for a higher carbon content of the alternative fuel compared to the target fuel and, in particular, to enable steam reforming of the alternative fuel. A water supply rate to the mixing unit 18 is set depending on the predetermined fuel utilization of the fuel cell system 12 and a maximum delivery rate of the fuel delivery unit 14 of the fuel cell system 12. Preferably, enough water is introduced so that the target delivery rate of the fuel delivery unit 14 is below the maximum delivery rate of the fuel delivery unit 14.

Claims (11)

Verfahren (10) zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems (12), das zum Betrieb mit einem kohlenwasserstoffhaltigen Sollbrennstoff ausgelegt ist, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem Verfahrensschritt ein von dem Sollbrennstoff unterschiedlicher kohlenwasserstoffhaltiger Alternativbrennstoff dem Brennstoffzellensystem (12) zugeführt wird.Method (10) for operating a fuel cell system (12) designed for operation with a hydrocarbon-containing target fuel, characterized in that in at least one process step an alternative hydrocarbon-containing fuel different from the target fuel is supplied to the fuel cell system (12). Verfahren (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem Verfahrensschritt ein Zusatz zu dem Alternativbrennstoff gegeben wird, um eine Verwertbarkeit des Alternativbrennstoffs durch das Brennstoffzellensystem (12) zu erhöhen.Procedure (10) according to Claim 1 , characterized in that in at least one process step an additive is added to the alternative fuel in order to increase the usability of the alternative fuel by the fuel cell system (12). Verfahren (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem Verfahrensschritt dem Alternativbrennstoff Wasser beigemengt wird.Procedure (10) according to Claim 1 or 2 characterized in that water is added to the alternative fuel in at least one process step. Verfahren (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wasserzufuhrrate zu dem Alternativbrennstoff von einer vorgegebenen Brennstoffnutzung des Brennstoffzellensystems (12) und einer maximalen Förderleistung einer Brennstofffördereinheit (14) des Brennstoffzellensystems (12) eingestellt wird.Procedure (10) according to Claim 3 , characterized in that a water supply rate to the alternative fuel is set by a predetermined fuel utilization of the fuel cell system (12) and a maximum delivery capacity of a fuel delivery unit (14) of the fuel cell system (12). Verfahren (10) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasser einem Rezirkulat des Alternativbrennstoffs beigemengt wird.Procedure (10) according to Claim 3 or 4 characterized in that the water is added to a recirculated alternative fuel. Verfahren (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine vorgegebene Brennstoffnutzung des Brennstoffzellensystems (12) unabhängig von der Art des verwendeten Brennstoffs gehalten wird.Method (10) according to one of the preceding claims, characterized in that a predetermined fuel utilization of the fuel cell system (12) is maintained independently of the type of fuel used. Verfahren (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in zu mindestens einem Verfahrensschritt eine Zusammensetzung des verwendeten Brennstoffs erfasst wird.Method (10) according to one of the preceding claims, characterized in that in at least one process step a composition of the fuel used is recorded. Verfahren (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem Verfahrensschritt eine Zusammensetzung des verwendeten Brennstoffs geregelt wird.Method (10) according to one of the preceding claims, characterized in that in at least one process step a composition of the fuel used is controlled. Verfahren (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Alternativbrennstoff Autogas verwendet wird.Method (10) according to one of the preceding claims, characterized in that autogas is used as an alternative fuel. Mischvorrichtung (16) für ein Brennstoffzellensystem (12) zur Durchführung eines Verfahrens (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit zumindest einer Mischeinheit (18), welche zumindest einen Brennstoffeinlass (20) und zumindest einen Wassereinlass (22) umfasst.Mixing device (16) for a fuel cell system (12) for carrying out a method (10) according to one of the preceding claims with at least one mixing unit (18) comprising at least one fuel inlet (20) and at least one water inlet (22). Brennstoffzellensystem (12) mit zumindest einer Brennstoffzelleneinheit (24) zu einer elektrochemischen Umsetzung eines Brennstoffs und mit zumindest einer Mischvorrichtung (16) nach Anspruch 10.Fuel cell system (12) with at least one fuel cell unit (24) for an electrochemical conversion of a fuel and with at least one mixing device (16) according to Claim 10 .
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