DE102023204349A1

DE102023204349A1 - Protective device, fuel cell system with such a protective device, method for operating such a protective device and use of a desulfurizer for providing a protective gas

Info

Publication number: DE102023204349A1
Application number: DE102023204349.1A
Authority: DE
Inventors: Daniel Jansen; Robert Nitsche
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2023-05-11
Filing date: 2023-05-11
Publication date: 2024-11-14

Abstract

Die Erfindung geht aus von einer Schutzvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem, zur Bereitstellung eines Schutzgases, welches dazu vorgesehen ist, zumindest einer Brennstoffelektrode (30) des Brennstoffzellensystems zugeführt zu werden.
Es wird vorgeschlagen, dass die Schutzvorrichtung einen Entschwefler (46) zur Erzeugung des Schutzgases umfasst.

The invention is based on a protective device for a fuel cell system for providing a protective gas which is intended to be supplied to at least one fuel electrode (30) of the fuel cell system.
It is proposed that the protective device comprises a desulfurizer (46) for generating the protective gas.

Description

Stand der TechnikState of the art

Es ist bereits eine Schutzvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem, zur Bereitstellung eines Schutzgases, welches dazu vorgesehen ist, zumindest einer Brennstoffelektrode des Brennstoffzellensystems zugeführt zu werden, vorgeschlagen worden.A protective device for a fuel cell system has already been proposed for providing a protective gas which is intended to be supplied to at least one fuel electrode of the fuel cell system.

Offenbarung der Erfindungdisclosure of the invention

Die Erfindung geht aus von einer Schutzvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem, zur Bereitstellung eines Schutzgases, welches dazu vorgesehen ist, zumindest einer Brennstoffelektrode des Brennstoffzellensystems zugeführt zu werden.The invention is based on a protective device for a fuel cell system for providing a protective gas which is intended to be supplied to at least one fuel electrode of the fuel cell system.

Es wird vorgeschlagen, dass die Schutzvorrichtung einen Entschwefler zur Erzeugung des Schutzgases umfasst. Die Brennstoffelektrode ist vorzugsweise Teil einer Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems, zu einer elektrochemischen Umwandlung eines Brennstoffs. Das Brennstoffzellensystem umfasst vorzugsweise eine Vielzahl an Brennstoffzellen, welche zusammen mit der bereits genannten Brennstoffzelle zu einer Brennstoffzelleneinheit zusammengefasst sind. Der Entschwefler ist vorzugsweise dazu ausgelegt, den Brennstoff zu entschwefeln. Der Brennstoff umfasst als Hauptenergieträger beispielsweise Wasserstoff, Ammoniak, Methan und/oder einen weiteren Kohlenwasserstoff. Der Brennstoff ist beispielsweise als Erdgas oder Biogas ausgebildet. Dem Brennstoff ist beispielweise ein schwefelbasiertes Odoriermittel beigemengt, welches mittels des Entschweflers von dem Brennstoff vor einer Verwertung durch die Brennstoffzelleneinheit abzuscheiden ist.It is proposed that the protective device comprises a desulfurizer for generating the protective gas. The fuel electrode is preferably part of a fuel cell of the fuel cell system for an electrochemical conversion of a fuel. The fuel cell system preferably comprises a plurality of fuel cells, which are combined with the aforementioned fuel cell to form a fuel cell unit. The desulfurizer is preferably designed to desulfurize the fuel. The fuel comprises, for example, hydrogen, ammonia, methane and/or another hydrocarbon as the main energy source. The fuel is, for example, in the form of natural gas or biogas. For example, a sulfur-based odorant is added to the fuel, which is to be separated from the fuel by means of the desulfurizer before it is utilized by the fuel cell unit.

Das Schutzgas ist vorzugsweise dazu vorgesehen, während eines Betriebs, insbesondere einer Inbetriebnahme und/oder einem Abschaltprozess, der Brennstoffzelleneinheit die zumindest eine Brennstoffelektrode zu schützen. Das Schutzgas ist vorzugsweise als Oxidationsschutz, insbesondere für Nickel, ausgelegt. Die Schutzvorrichtung umfasst vorzugsweise einen zentralen Fluidauslass, zu einer Übergabe des Schutzgases, des entschwefelten Brennstoffs oder eines Gemischs aus dem Schutzgas und dem entschwefelten Brennstoff an ein Leitungssystem des Brennstoffzellensystems. Der zentrale Fluidauslass der Schutzvorrichtung ist vorzugsweise identisch mit einem Fluidauslass des Entschweflers. Alternativ umfasst die Schutzvorrichtung ein, vorzugsweise verzweigungsfreies, Leitungselement von dem Fluidauslass zu dem zentralen Fluidauslass der Schutzvorrichtung, beispielsweise zu einer Anordnung von zumindest einem Messinstrument der Schutzvorrichtung. Vorzugsweise führen alle zu einem Betrieb der Brennstoffzelleneinheit vorgesehenen Strömungspfade, die durch den zentralen Fluidauslass der Schutzvorrichtung führen, durch den Entschwefler hindurch. Bevorzugt umfasst der Entschwefler einen Brennstoffeinlass zu einem Einlassen des schwefelhaltigen Brennstoffs. Bevorzugt umfasst der Entschwefler einen Wasseranschluss, zu einem Einlassen von, insbesondere flüssigem, Wasser, Wasserdampf und/oder Wasserstoff.The protective gas is preferably provided to protect the at least one fuel electrode during operation, in particular during start-up and/or a shutdown process, of the fuel cell unit. The protective gas is preferably designed as oxidation protection, in particular for nickel. The protective device preferably comprises a central fluid outlet for transferring the protective gas, the desulfurized fuel or a mixture of the protective gas and the desulfurized fuel to a line system of the fuel cell system. The central fluid outlet of the protective device is preferably identical to a fluid outlet of the desulfurizer. Alternatively, the protective device comprises a line element, preferably without branches, from the fluid outlet to the central fluid outlet of the protective device, for example to an arrangement of at least one measuring instrument of the protective device. Preferably, all flow paths provided for operation of the fuel cell unit that lead through the central fluid outlet of the protective device lead through the desulfurizer. The desulfurizer preferably comprises a fuel inlet for letting in the sulfur-containing fuel. Preferably, the desulfurizer comprises a water connection for admitting, in particular liquid, water, water vapor and/or hydrogen.

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 in particular to mean specially programmed, designed and/or equipped. The fact that an object is intended for a specific function should be understood in particular to mean that the object fulfils and/or executes this specific function in at least one application and/or operating state.

Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann auf einen von der Schutzvorrichtung separat ausgebildeten Entschwefler vorteilhaft verzichtet werden. Insbesondere kann ein die Schutzvorrichtung aufweisendes Brennstoffzellensystem vorteilhaft bauteilarm und kompakt gehalten werden. Ferner können durch die Schutzvorrichtung entstehender Druckabfall und/oder Druckschwankungen während eines Regelbetriebs des Brennstoffzellensystems vorteilhaft gering gehalten werden.The design according to the invention advantageously makes it possible to dispense with a desulfurizer that is designed separately from the protective device. In particular, a fuel cell system having the protective device can advantageously be kept compact and with few components. Furthermore, pressure drops and/or pressure fluctuations caused by the protective device during normal operation of the fuel cell system can advantageously be kept low.

Weiter wird vorgeschlagen, dass das Schutzgas als eine Hauptkomponente molekularen Wasserstoff umfasst. Unter einer „Hauptkomponente“ eines Gases soll vorzugsweise eine Komponente des Gases verstanden werden, welche zumindest einen Anteil von mehr als 20 %, bevorzugt von mehr als 35 %, besonders bevorzugt von mehr als 50 %, eines Gesamtvolumens und/oder einer Gesamtmasse des Gases umfasst. Das Schutzgas kann den Wasserstoff als einzige Hauptkomponente auffassen oder weitere Hauptkomponenten, beispielsweise Wasserdampf, Kohlenstoffmonoxid und/oder ein Inertgas, insbesondere Stickstoff, umfassen. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann ein Sauerstoffanteil eines sich in dem Brennstoffzellensystem befindlichen Fluids vorteilhaft effektiv abreagiert werden. Ferner kann das Schutzgas in einem Regelbetrieb der Brennstoffzelleneinheit vorteilhaft als zusätzlicher Brennstoff verwendet werden, sodass ein von der Schutzvorrichtung ausgehender Volumenstrom und/oder Massenstrom bei einem Übergang von einer Inbetriebnahme zu dem Regelbetrieb der Brennstoffzelleneinheit vorteilhaft stetig, insbesondere vorteilhaft konstant, gehalten werden kann.It is further proposed that the protective gas comprises molecular hydrogen as a main component. A "main component" of a gas should preferably be understood as a component of the gas which comprises at least a proportion of more than 20%, preferably more than 35%, particularly preferably more than 50%, of a total volume and/or a total mass of the gas. The protective gas can be understood as the hydrogen as the only main component or can comprise other main components, for example water vapor, carbon monoxide and/or an inert gas, in particular nitrogen. The design according to the invention allows an oxygen content of a fluid in the fuel cell system to be reacted effectively. Furthermore, the protective gas can advantageously be used as an additional fuel in a regular operation of the fuel cell unit, so that a volume flow and/or mass flow emanating from the protective device can advantageously be kept constant, in particular advantageously constant, during a transition from commissioning to the regular operation of the fuel cell unit.

Weiter wird vorgeschlagen, dass der Entschwefler als Hydrodesulfurierungseinheit ausgebildet ist. Der Entschwefler ist vorzugsweise dazu vorgesehen, das über den Wasseranschluss einströmende Wasser, Wasserdampf und/oder Wasserstoff zu einer Hydrodesulfurierung des Brennstoffs zu verwenden. Besonders bevorzugt umfasst der Entschwefler einen internen Reformer zu einer katalytischen Reformierung des Brennstoffs. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann das Schutzgas als Nebenprodukt einer Entschwefelung vorteilhaft einfach bereitgestellt werden.It is further proposed that the desulfurizer be designed as a hydrodesulfurization unit The desulfurizer is preferably designed to use the water, steam and/or hydrogen flowing in via the water connection to hydrodesulfurize the fuel. The desulfurizer particularly preferably comprises an internal reformer for catalytic reforming of the fuel. The design according to the invention advantageously allows the protective gas to be provided in a simple manner as a by-product of desulfurization.

Weiter wird vorgeschlagen, dass die Schutzgaseinheit eine Wasserstoffbereitstellungseinheit umfasst. Die Wasserstoffbereitstellungseinheit ist vorzugsweise zu einer Ausgabe von Wasserstoff für die Hydrodesulfierung des Brennstoffs vorgesehen. Vorzugsweise ist die Wasserstoffbereitstellungseinheit zwischen dem Wasseranschluss und dem Entschwefler zwischengeschaltet. Die Wasserstoffbereitstellungseinheit kann separat von dem Entschwefler ausgebildet und insbesondere beabstandet von dem Entschwefler angeordnet sein oder in den Entschwefler integriert sein. Beispielsweise wird die Wasserstoffbereitstellungseinheit durch den internen Reformer des Entschweflers ausgebildet. Alternativ ist die Wasserstoffbereitstellungseinheit als Pyrolysereaktor, als Elektrolyseur, als Reaktor zur partiellen Oxidation des Brennstoffs oder dergleichen ausgebildet. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann auf eine externe Bereitstellung von Wasserstoff verzichtet werden. Insbesondere kann das Schutzgas vorteilhaft einfach durch die externe Bereitstellung von, insbesondere flüssigem, Wasser und Energie hergestellt werden.It is further proposed that the protective gas unit comprises a hydrogen supply unit. The hydrogen supply unit is preferably provided for the output of hydrogen for the hydrodesulphurisation of the fuel. The hydrogen supply unit is preferably interposed between the water connection and the desulfuriser. The hydrogen supply unit can be designed separately from the desulfuriser and in particular can be arranged at a distance from the desulfuriser or can be integrated into the desulfuriser. For example, the hydrogen supply unit is designed by the internal reformer of the desulfuriser. Alternatively, the hydrogen supply unit is designed as a pyrolysis reactor, as an electrolyser, as a reactor for the partial oxidation of the fuel or the like. The design according to the invention means that an external supply of hydrogen can be dispensed with. In particular, the protective gas can advantageously be produced simply by the external supply of, in particular liquid, water and energy.

Weiter wird vorgeschlagen, dass die Schutzgaseinheit eine Wasserausgabeeinstellungseinheit umfasst. Die Wasserausgabeeinstellungseinheit ist vorzugsweise dazu vorgesehen, einen Wassergehalt des Schutzgases bei einem Austritt aus der Schutzvorrichtung zu regulieren. Besonders bevorzugt umfasst die Wasserausgabeeinstellungseinheit ein Teil einer Steuer- oder Regeleinheit der Schutzvorrichtung zu einer Einstellung von Prozessparametern des Entschweflers, wie beispielsweise ein Eingangsvolumenstrom des Brennstoffs in den Entschwefler, ein Eingangsvolumenstrom des Wassers in den Entschwefler, ein Wasserstoffvolumenstrom innerhalb des Entschweflers, eine Druckbeaufschlagung eines der Fluide innerhalb des Entschweflers, eine Betriebstemperatur des Entschweflers, insbesondere des internen Reformers, oder dergleichen. Vorzugsweise umfasst die Schutzvorrichtung zumindest ein Feuchtigkeitsmessgerät zu einer Erfassung einer, insbesondere relativen, Feuchte des Schutzgases. Das Feuchtigkeitsmessgerät ist vorzugsweise an dem Fluidauslass des Entschweflers angeordnet. Die Steuer- oder Regeleinheit ist vorzugsweise dazu vorgesehen, die Feuchte des Schutzgases als Regelgröße zu einer Einstellung des Entschweflers zu verwenden. Zusätzlich oder alternativ umfasst die Wasserausgabeeinstellungseinheit zumindest einen Wasserabscheider, zu einem Abscheiden des Schutzgases. Der Wasserabscheider umfasst vorzugsweise ein Trocknungsgranulat, Abtropfbleche, Siebböden oder dergleichen zu einem Abscheiden des Wassers. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann das Schutzgas vorteilhaft reduzierend gehalten werden.It is further proposed that the protective gas unit comprises a water output adjustment unit. The water output adjustment unit is preferably provided to regulate a water content of the protective gas when it exits the protective device. Particularly preferably, the water output adjustment unit comprises part of a control or regulating unit of the protective device for adjusting process parameters of the desulfurizer, such as an input volume flow of the fuel into the desulfurizer, an input volume flow of the water into the desulfurizer, a hydrogen volume flow within the desulfurizer, a pressurization of one of the fluids within the desulfurizer, an operating temperature of the desulfurizer, in particular of the internal reformer, or the like. The protective device preferably comprises at least one moisture meter for detecting a, in particular relative, humidity of the protective gas. The moisture meter is preferably arranged at the fluid outlet of the desulfurizer. The control or regulating unit is preferably provided to use the humidity of the protective gas as a controlled variable for adjusting the desulfurizer. Additionally or alternatively, the water output setting unit comprises at least one water separator for separating the protective gas. The water separator preferably comprises drying granules, drip trays, sieve bottoms or the like for separating the water. The design according to the invention advantageously allows the protective gas to be kept in a reducing state.

Weiter wird vorgeschlagen, dass die Schutzvorrichtung eine, insbesondere die bereits genannte, Steuer- oder Regeleinheit zu einem Anpassen einer Zusammensetzung des Schutzgases umfasst. Die Steuer- oder Regeleinheit ist vorzugsweise dazu vorgesehen, ein Kohlenstoffbildungspotential des Schutzgases innerhalb der Brennstoffzelleneinheit zu minimieren. Die Steuer- oder Regeleinheit ist vorzugsweise dazu vorgesehen, ein Sauerstoff-Kohlenstoffverhältnis des Schutzgases einzustellen, insbesondere durch Einstellung der bereits genannten Prozessparameter. Die Steuer- oder Regeleinheit ist vorzugsweise dazu vorgesehen, ein Sauerstoff-Kohlenstoffverhältnis des Schutzgases in Abhängigkeit von einer Betriebstemperatur der Brennstoffzelleneinheit einzustellen. Die Steuer- oder Regeleinheit ist vorzugsweise dazu vorgesehen, die Zusammensetzung des Schutzgases durch ein Einstellen eines Wassergehalts des Schutzgases anzupassen. 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. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann ein Risiko oder Ausmaß einer Beschädigung, insbesondere eine Oxidation oder Verkokung, der Brennstoffelektrode vorteilhaft gering gehalten werden.It is further proposed that the protective device comprises a control or regulating unit, in particular the one already mentioned, for adjusting a composition of the protective gas. The control or regulating unit is preferably provided to minimize a carbon formation potential of the protective gas within the fuel cell unit. The control or regulating unit is preferably provided to adjust an oxygen-carbon ratio of the protective gas, in particular by adjusting the process parameters already mentioned. The control or regulating unit is preferably provided to adjust an oxygen-carbon ratio of the protective gas depending on an operating temperature of the fuel cell unit. The control or regulating unit is preferably provided to adjust the composition of the protective gas by adjusting a water content of the protective gas. A "control or regulating unit" is to be understood in particular as a unit with at least one control electronics. A "control electronics" is to be understood in particular as a unit with a processor unit and with a memory unit as well as with an operating program stored in the memory unit. Due to the design according to the invention, a risk or extent of damage, in particular oxidation or coking, of the fuel electrode can be advantageously kept low.

Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die Schutzvorrichtung einen Abgaswärmeübertrager zu einer Übertragung von Wärme auf den Entschwefler umfasst. Der Abgaswärmeübertrager ist vorzugsweise dazu vorgesehen den Brennstoff, das Wasser oder den Wasserstoff vor oder innerhalb des Entschweflers, insbesondere stromaufwärts des Reformers, vorzuerwärmen. Der Abgaswärmeübertrager ist vorzugsweise an oder in dem Entschwefler angeordnet, beispielsweise an dem Wasseranschluss und/oder an dem Brennstoffanschluss. Der Abgaswärmeübertrager ist vorzugsweise dazu vorgesehen, an einem Abgasauslass eines Nachbrenners des Brennstoffzellensystems angeschlossen zu werden. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann die Schutzvorrichtung vorteilhaft effizient betrieben werden.It is further proposed that the protective device comprises an exhaust gas heat exchanger for transferring heat to the desulfurizer. The exhaust gas heat exchanger is preferably provided to preheat the fuel, water or hydrogen before or inside the desulfurizer, in particular upstream of the reformer. The exhaust gas heat exchanger is preferably arranged on or in the desulfurizer, for example on the water connection and/or on the fuel connection. The exhaust gas heat exchanger is preferably provided to be connected to an exhaust gas outlet of an afterburner of the fuel cell system. The design according to the invention allows the protective device to be operated advantageously efficiently.

Ferner wird ein Brennstoffzellensystem mit zumindest einer Brennstoffzelleneinheit zu einer elektrochemischen Umsetzung eines Brennstoffs und mit zumindest einer erfindungsgemäßen Schutzvorrichtung zu einem Schutz der Brennstoffzelleneinheit vorgeschlagen. Die Brennstoffzelleneinheit umfasst vorzugsweise zumindest eine Brennstoffzelle, besonders bevorzugt zumindest eine Hochtemperaturbrennstoffzelle. Die zumindest eine Brennstoffzelle ist vorzugsweise als Festoxidbrennstoffzelle oder als Schmelzkarbonatbrennstoffzelle ausgebildet. Alternativ ist die zumindest eine Brennstoffzelle als Phosphorsäurebrennstoffzelle, als Direktmethanolbrennstoffzelle, als Polymerelektrolytbrennstoffzelle oder dergleichen ausgebildet. Die Brennstoffelektrode der zumindest einen Brennstoffzelle ist vorzugsweise an dem Zufuhranschluss des Leitungssystems angeschlossen. Die Brennstoffzelleneinheit umfasst vorzugsweise eine Vielzahl an Brennstoffzellen, welche in einem Stack oder mehreren Stacks angeordnet sind. Die Brennstoffzellen sind vorzugsweise elektrisch in Reihe geschaltet und insbesondere zu einem gemeinsamen Betrieb vorgesehen. Das Brennstoffzellensystem umfasst vorzugsweise Peripheriegeräte zu einem Betrieb der zumindest einen Brennstoffzelle. Beispiele für Peripheriegeräte umfassen einen Reformer zu einem Reformieren des Brennstoffs, eine Brennstofffördereinheit, insbesondere ein Gebläse oder Verdichter, zu einem Fördern des Brennstoffs durch die Brennstoffzelleneinheit, eine Abgasrezirkulation, einen Nachbrenner zu einer thermischen Umsetzung von Brennstoffresten stromabwärts der zumindest einen Brennstoffzelle, zumindest einen internen Abgaswärmeübertrager zu einer Abgaswärmerückgewinnung, eine Sauerstoffversorgungseinheit zu einer Versorgung einer Sauerstoffelektrode der zumindest einen Brennstoffzelle mit einem sauerstoffhaltigen Fluid, insbesondere Luft, und/oder dergleichen. Die Schutzvorrichtung ist vorzugsweise stromaufwärts der Brennstoffelektrode an einem Leitungssystem des Brennstoffzellensystems angeschlossen. Das Brennstoffzellensystem umfasst vorzugsweise ein Isolationsgehäuse, in welchem die Brennstoffzelleneinheit angeordnet ist, um eine Betriebstemperatur der Brennstoffzelleneinheit aufrechtzuerhalten. Abhängig von ihrer jeweiligen vorgesehenen Betriebstemperatur sind die Peripheriegeräte innerhalb oder außerhalb des Isolationsgehäuses angeordnet. Die Schutzvorrichtung ist vorzugsweise als zentrale Schutzvorrichtung ausgebildet, welche zu einer Versorgung mehrerer Brennstoffzelleneinheiten vorgesehen ist, wobei die Brennstoffzelleneinheiten insbesondere in je einem eigenen Isolationsgehäuse angeordnet sind und wobei den Brennstoffzelleneinheiten insbesondere je eigene Peripheriegeräte zugeordnet sind. Alternativ ist die Schutzvorrichtung als spezifische Schutzvorrichtung ausgebildet, welche genau einer Brennstoffzelleneinheit zugeordnet ist. Die spezifische Schutzvorrichtung kann innerhalb oder außerhalb des thermischen Isolationsgehäuses angeordnet sein. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann ein vorteilhaft kompaktes und bauteilarmes Brennstoffzellensystem zur Verfügung gestellt werden.Furthermore, a fuel cell system is proposed with at least one fuel cell unit for electrochemical conversion of a fuel and with at least one protective device according to the invention for protecting the fuel cell unit. The fuel cell unit preferably comprises at least one fuel cell, particularly preferably at least one high-temperature fuel cell. The at least one fuel cell is preferably designed as a solid oxide fuel cell or as a molten carbonate fuel cell. Alternatively, the at least one fuel cell is designed as a phosphoric acid fuel cell, as a direct methanol fuel cell, as a polymer electrolyte fuel cell or the like. The fuel electrode of the at least one fuel cell is preferably connected to the supply connection of the line system. The fuel cell unit preferably comprises a plurality of fuel cells which are arranged in a stack or several stacks. The fuel cells are preferably electrically connected in series and in particular intended for joint operation. The fuel cell system preferably comprises peripheral devices for operating the at least one fuel cell. Examples of peripheral devices include a reformer for reforming the fuel, a fuel feed unit, in particular a blower or compressor, for feeding the fuel through the fuel cell unit, exhaust gas recirculation, an afterburner for thermal conversion of fuel residues downstream of the at least one fuel cell, at least one internal exhaust gas heat exchanger for exhaust gas heat recovery, an oxygen supply unit for supplying an oxygen electrode of the at least one fuel cell with an oxygen-containing fluid, in particular air, and/or the like. The protective device is preferably connected upstream of the fuel electrode to a line system of the fuel cell system. The fuel cell system preferably comprises an insulation housing in which the fuel cell unit is arranged in order to maintain an operating temperature of the fuel cell unit. Depending on their respective intended operating temperature, the peripheral devices are arranged inside or outside the insulation housing. The protective device is preferably designed as a central protective device which is intended to supply several fuel cell units, wherein the fuel cell units are arranged in particular in their own insulation housing and wherein the fuel cell units are each assigned their own peripheral devices. Alternatively, the protective device is designed as a specific protective device which is assigned to exactly one fuel cell unit. The specific protective device can be arranged inside or outside the thermal insulation housing. The design according to the invention makes it possible to provide an advantageously compact fuel cell system with few components.

Darüber hinaus wird ein Verfahren zum Betrieb einer erfindungsgemäßen Schutzvorrichtung vorgeschlagen, wobei in zumindest einem Verfahrensschritt des Verfahrens der Entschwefler das Schutzgas bereitstellt. Besonders bevorzugt stellt der Entschwefler das Schutzgas als Nebenprodukt einer Entschwefelung des Brennstoffs bereit. Der Entschwefler stellt das Schutzgas vorzugsweise während einer Inbetriebnahme der Brennstoffzelleneinheit und/oder während eines Abschaltprozesses der Brennstoffzelleneinheit bereit. Besonders bevorzugt erzeugt die Wasserstoffbereitstellungseinheit Wasserstoff zur Bildung des Schutzgases. Vorzugsweise verwendet der Entschwefler den Wasserstoff zu einer Hydrodesulfurierung des Brennstoffs. Vorzugsweise gibt der Entschwefler ein Brennstoff-Schutzgas-Gemisch aus. Der Schutzgas-Anteil des Brennstoff-Schutzgas-Gemischs ist vorzugsweise in einem Regelbetrieb der Brennstoffzelleneinheit als zusätzlicher Brennstoff nutzbar. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann ein Druckverlust oder Druckschwankungen innerhalb des Brennstoffzellensystems vorteilhaft gering gehalten werden.In addition, a method for operating a protective device according to the invention is proposed, wherein in at least one method step of the method the desulfurizer provides the protective gas. Particularly preferably, the desulfurizer provides the protective gas as a by-product of desulfurization of the fuel. The desulfurizer preferably provides the protective gas during startup of the fuel cell unit and/or during a shutdown process of the fuel cell unit. Particularly preferably, the hydrogen supply unit generates hydrogen to form the protective gas. Preferably, the desulfurizer uses the hydrogen to hydrodesulfurize the fuel. Preferably, the desulfurizer outputs a fuel-protective gas mixture. The protective gas portion of the fuel-protective gas mixture can preferably be used as additional fuel in regular operation of the fuel cell unit. The design according to the invention advantageously allows pressure loss or pressure fluctuations within the fuel cell system to be kept low.

Des Weiteren wird eine Verwendung eines Entschweflers eines Brennstoffzellensystems zur Bereitstellung eines Schutzgases vorgeschlagen, welches dazu vorgesehen ist, zumindest einer Brennstoffelektrode des Brennstoffzellensystems zugeführt zu werden. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann ein Druckverlust oder Druckschwankungen innerhalb des Brennstoffzellensystems vorteilhaft gering gehalten werden.Furthermore, the use of a desulfurizer of a fuel cell system for providing a protective gas is proposed, which is intended to be supplied to at least one fuel electrode of the fuel cell system. The design according to the invention advantageously allows a pressure loss or pressure fluctuations within the fuel cell system to be kept low.

Die erfindungsgemäße Schutzvorrichtung, das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem, das erfindungsgemäße Verfahren und/oder die erfindungsgemäße Verwendung sollen/soll hierbei nicht auf die oben beschriebene Anwendung und Ausführungsform beschränkt sein. Insbesondere kann die erfindungsgemäße Schutzvorrichtung, das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem, das erfindungsgemäße Verfahren und/oder die erfindungsgemäße Verwendung 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 protective device according to the invention, the fuel cell system according to the invention, the method according to the invention and/or the use according to the invention should not be limited to the application and embodiment described above. In particular, the protective device according to the invention, the fuel cell system according to the invention, the method according to the invention and/or the use according to the invention can have a number of individual elements, components and units as well as method steps that differs from the number stated herein in order to fulfill a function described herein. In addition, in the value ranges stated in this disclosure, values within the stated limits should also be considered disclosed and can be used as desired.

Zeichnungendrawings

Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, 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 emerge from the following description of the drawings. The drawings show an embodiment of the invention. The drawing, the description and the claims contain numerous features in combination. The person skilled in the art will also expediently consider the features individually and combine them into further useful combinations.

Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems und
2 ein schematisches Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens.

They show:

1 a schematic representation of a fuel cell system according to the invention and
2 a schematic flow diagram of a method according to the invention.

Beschreibung des AusführungsbeispielsDescription of the embodiment

1 zeigt ein Brennstoffzellensystem 24. Das Brennstoffzellensystem 24 umfasst zumindest eine Brennstoffzelleneinheit 26 zu einer elektrochemischen Umwandlung eines Brennstoffs. Die Brennstoffzelleneinheit 26 umfasst vorzugsweise zumindest eine Brennstoffelektrode 30. Die Brennstoffzelleneinheit 26 umfasst vorzugsweise zumindest eine Sauerstoffelektrode 32. Das Brennstoffzellensystem 24 umfasst zumindest eine Schutzvorrichtung 10 zu einem Schutz der Brennstoffzelleneinheit 26. 1 shows a fuel cell system 24. The fuel cell system 24 comprises at least one fuel cell unit 26 for electrochemical conversion of a fuel. The fuel cell unit 26 preferably comprises at least one fuel electrode 30. The fuel cell unit 26 preferably comprises at least one oxygen electrode 32. The fuel cell system 24 comprises at least one protective device 10 for protecting the fuel cell unit 26.

Das Brennstoffzellensystem 24 umfasst zumindest ein Leitungssystem 12 zur Führung des Brennstoffs. Das Leitungssystem 12 umfasst vorzugsweise eine Brennstoffzufuhr 20. Die Brennstoffzufuhr 20 ist vorzugsweise an einem Einlass der Brennstoffelektrode 30 angeschlossen. Das Brennstoffzellensystem 24 umfasst vorzugsweise eine an der Brennstoffzufuhr 20 angeordnete Brennstofffördereinheit (hier nicht dargestellt) zu einer Förderung des Brennstoffs durch das Leitungssystem 12. Das Brennstoffzellensystem 24 umfasst zumindest einen an dem Leitungssystem 12 angeschlossenen Reformer 14 zu einer Reformierung des Brennstoffs. Das Brennstoffzellensystem 24 umfasst vorzugsweise zumindest eine Rezirkulationsleitung 22. Die Rezirkulationsleitung 22 verbindet vorzugsweise einen Auslass der Brennstoffelektrode 30 mit der Brennstoffzufuhr 20. Eine Mündungsstelle der Rezirkulationsleitung 22 in die Brennstoffzufuhr 20 ist vorzugsweise stromaufwärts des Reformers 14 angeordnet. Das Brennstoffzellensystem 24 umfasst vorzugsweise eine Rezirkulationsfördereinheit (hier nicht dargestellt) zu einer Förderung eines aus der Brennstoffzelleneinheit 26 austretenden Fluids durch die Rezirkulationsleitung 22. Das Brennstoffzellensystem 24 umfasst vorzugsweise einen Brennstoffvorerwärmer 40 zu einem Erwärmen des Brennstoffs. Der Brennstoffvorerwärmer 40 ist an der Brennstoffzufuhr 20 vorzugsweise stromaufwärts der Mündungsstelle angeordnet.The fuel cell system 24 comprises at least one line system 12 for guiding the fuel. The line system 12 preferably comprises a fuel supply 20. The fuel supply 20 is preferably connected to an inlet of the fuel electrode 30. The fuel cell system 24 preferably comprises a fuel conveying unit (not shown here) arranged on the fuel supply 20 for conveying the fuel through the line system 12. The fuel cell system 24 comprises at least one reformer 14 connected to the line system 12 for reforming the fuel. The fuel cell system 24 preferably comprises at least one recirculation line 22. The recirculation line 22 preferably connects an outlet of the fuel electrode 30 to the fuel supply 20. A mouth of the recirculation line 22 into the fuel supply 20 is preferably arranged upstream of the reformer 14. The fuel cell system 24 preferably comprises a recirculation conveying unit (not shown here) for conveying a fluid exiting from the fuel cell unit 26 through the recirculation line 22. The fuel cell system 24 preferably comprises a fuel preheater 40 for heating the fuel. The fuel preheater 40 is arranged on the fuel supply 20, preferably upstream of the outlet point.

Das Brennstoffzellensystem 24 umfasst vorzugsweise eine Sauerstoffversorgungseinheit 34 zu einer Versorgung der Brennstoffzelleneinheit 26 mit einem sauerstoffhaltigen Fluid, insbesondere Luft. Die Sauerstoffversorgungseinheit 34 ist vorzugsweise an einem Einlass der Sauerstoffelektrode 32 angeschlossen. Die Sauerstoffversorgungseinheit 34 umfasst vorzugsweise einen Sauerstoffvorerwärmer 42 zu einem Erwärmen des sauerstoffhaltigen Fluids. Der Sauerstoffvorerwärmer 42 ist vorzugsweise stromaufwärts der Brennstoffzelleneinheit 26 angeordnet.The fuel cell system 24 preferably comprises an oxygen supply unit 34 for supplying the fuel cell unit 26 with an oxygen-containing fluid, in particular air. The oxygen supply unit 34 is preferably connected to an inlet of the oxygen electrode 32. The oxygen supply unit 34 preferably comprises an oxygen preheater 42 for heating the oxygen-containing fluid. The oxygen preheater 42 is preferably arranged upstream of the fuel cell unit 26.

Das Brennstoffzellensystem 24 umfasst vorzugsweise einen Nachbrenner 36 zu einer thermischen Verwertung von aus der Brennstoffzelleneinheit 26 austretenden Brennstoffresten. Der Nachbrenner 36 ist vorzugsweise an dem Auslass der Brennstoffelektrode 30 und an einem Auslass der Sauerstoffelektrode 32 angeschlossen.The fuel cell system 24 preferably comprises an afterburner 36 for thermal utilization of fuel residues emerging from the fuel cell unit 26. The afterburner 36 is preferably connected to the outlet of the fuel electrode 30 and to an outlet of the oxygen electrode 32.

Die Schutzvorrichtung 10 ist zur Bereitstellung eines Schutzgases vorgesehen. Das Schutzgas ist dazu vorgesehen, der zumindest einen Brennstoffelektrode 30 zugeführt zu werden. Die Schutzvorrichtung 10 ist vorzugsweise entlang der Brennstoffzufuhr 20 angeordnet. Die Schutzvorrichtung 10 ist vorzugsweise stromaufwärts des Brennstoffvorerwärmers 40 angeordnet. Die Schutzvorrichtung 10 umfasst einen Entschwefler 46 zur Erzeugung des Schutzgases. Der Entschwefler 46 ist vorzugsweise zu einem Entschwefeln des Brennstoffs vorgesehen. Das Schutzgas umfasst als eine Hauptkomponente molekularen Wasserstoff. Der Entschwefler 46 ist als Hydrodesulfurierungseinheit ausgebildet. Der Entschwefler 46 umfasst vorzugsweise einen Brennstoffanschluss 56 zu einem Anschließen einer externen Brennstoffquelle. Der Entschwefler 46 umfasst vorzugsweise einen Wasseranschluss 54 zu einem Anschließen einer externen Wasserquelle. Der Wasseranschluss 54 ist vorzugsweise zu einer Übergabe von flüssigem Wasser an den Entschwefler 46 ausgebildet. Ein Auslass des Entschweflers 46 ist vorzugsweise an der Brennstoffzufuhr 20 des Leitungssystems 12 angeschlossen. Besonders bevorzugt ist das Brennstoffzellensystem 24 stromabwärts des Entschweflers 46 frei von zusätzlichen Wasseranschlüssen und/oder Brennstoffanschlüssen. Insbesondere führen alle zu einem Betrieb der Brennstoffzelleneinheit 26 vorgesehenen Strömungspfade des Brennstoffs und/oder des Wassers durch den Entschwefler 46.The protective device 10 is provided for providing a protective gas. The protective gas is provided to be supplied to the at least one fuel electrode 30. The protective device 10 is preferably arranged along the fuel supply 20. The protective device 10 is preferably arranged upstream of the fuel preheater 40. The protective device 10 comprises a desulfurizer 46 for generating the protective gas. The desulfurizer 46 is preferably provided for desulfurizing the fuel. The protective gas comprises molecular hydrogen as a main component. The desulfurizer 46 is designed as a hydrodesulfurization unit. The desulfurizer 46 preferably comprises a fuel connection 56 for connecting an external fuel source. The desulfurizer 46 preferably comprises a water connection 54 for connecting an external water source. The water connection 54 is preferably designed to transfer liquid water to the desulfurizer 46. An outlet of the desulfurizer 46 is preferably connected to the fuel supply 20 of the line system 12. The fuel cell system 24 downstream of the desulfurizer 46 is particularly preferably free of additional water connections and/or fuel connections. In particular, all flow paths of the fuel and/or water provided for operation of the fuel cell unit 26 lead through the desulfurizer 46.

Die Schutzvorrichtung 10 umfasst eine Wasserstoffbereitstellungseinheit 16. Die Wasserstoffbereitstellungseinheit 16 ist vorzugsweise in den Entschwefler 46 integriert ausgebildet. Die Wasserstoffbereitstellungseinheit 16 wird vorzugsweise von einem internen Reformer des Entschweflers 46 gebildet. Der Entschwefler 46 umfasst eine Wasserausgabeeinstellungseinheit 18. Die Wasserausgabeeinstellungseinheit 18 umfasst beispielsweise zumindest eine Fluidfördereinheit, insbesondere eine Pumpe, ein Gebläse, einen Verdichter oder dergleichen, ein Ventil, eine Drossel oder dergleichen zu einem Einstellen eines Volumenstroms oder Massestroms des Brennstoffs, des Wassers und/oder des Wasserstoffs innerhalb des Entschweflers 46. Die Wasserausgabeeinstellungseinheit 18 umfasst beispielsweise zumindest ein elektrisches Heizelement zu einem Vorerwärmen des Brennstoffs, des Wassers und/oder des Wasserstoffs innerhalb des Entschweflers 46. Die Schutzvorrichtung 10 umfasst eine Steuer- oder Regeleinheit 48 zu einem Anpassen einer Zusammensetzung des Schutzgases, insbesondere durch Ansteuern der Wasserausgabeeinstellungseinheit 18.The protective device 10 comprises a hydrogen supply unit 16. The hydrogen supply unit 16 is preferably in the Ent sulfurizer 46 is integrated. The hydrogen supply unit 16 is preferably formed by an internal reformer of the desulfurizer 46. The desulfurizer 46 comprises a water output adjustment unit 18. The water output adjustment unit 18 comprises, for example, at least one fluid conveying unit, in particular a pump, a blower, a compressor or the like, a valve, a throttle or the like for adjusting a volume flow or mass flow of the fuel, the water and/or the hydrogen within the desulfurizer 46. The water output adjustment unit 18 comprises, for example, at least one electrical heating element for preheating the fuel, the water and/or the hydrogen within the desulfurizer 46. The protective device 10 comprises a control or regulating unit 48 for adjusting a composition of the protective gas, in particular by controlling the water output adjustment unit 18.

Die Schutzvorrichtung 10 umfasst einen Abgaswärmeübertrager 38 zu einer Übertragung von Wärme auf den Entschwefler 46. Der Abgaswärmeübertrager 38 ist zu einer Rückgewinnung von Wärme aus einem Abgas des Nachbrenners 36 vorgesehen. Der Abgaswärmeübertrager 38 oder ein weiterer Abgaswärmeübertrager des Brennstoffzellensystems 24 ist beispielsweise, insbesondere zusätzlich, mit dem Brennstoffvorerwärmer 40 und/oder dem Sauerstoffvorerwärmer 42 thermisch gekoppelt, insbesondere mit einer dieser Komponenten einstückig ausgebildet.The protective device 10 comprises an exhaust heat exchanger 38 for transferring heat to the desulfurizer 46. The exhaust heat exchanger 38 is provided for recovering heat from an exhaust gas of the afterburner 36. The exhaust heat exchanger 38 or another exhaust heat exchanger of the fuel cell system 24 is, for example, in particular additionally, thermally coupled to the fuel preheater 40 and/or the oxygen preheater 42, in particular formed in one piece with one of these components.

2 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens 28 zu einem Betrieb der Schutzvorrichtung 10. Das Verfahren 28 umfasst vorzugsweise eine Inbetriebnahme 50. In der Inbetriebnahme 50 bringt die Steuer- oder Regeleinheit 48 die Brennstoffzelleneinheit 26 vorzugsweise auf Betriebstemperatur. In der Inbetriebnahme 50 stellt der Entschwefler 46 das Schutzgas bereit. Die Steuer- oder Regeleinheit 48 überwacht, insbesondere regelt, vorzugsweise eine Zusammensetzung des Schutzgases, insbesondere einen Wasseranteil des Schutzgases und/oder ein Sauerstoff-Kohlenstoff-Verhältnis des Schutzgases. Das Schutzgas wird während der Inbetriebnahme 50 vorzugsweise von der Brennstofffördereinheit zu der zumindest einen Brennstoffelektrode 30 gefördert, um einer Oxidation der Brennstoffelektrode 30 vorzubeugen. 2 shows a flow chart of a method 28 for operating the protective device 10. The method 28 preferably includes a commissioning 50. During commissioning 50, the control or regulating unit 48 preferably brings the fuel cell unit 26 to operating temperature. During commissioning 50, the desulfurizer 46 provides the protective gas. The control or regulating unit 48 monitors, in particular regulates, preferably a composition of the protective gas, in particular a water content of the protective gas and/or an oxygen-carbon ratio of the protective gas. During commissioning 50, the protective gas is preferably conveyed from the fuel conveying unit to the at least one fuel electrode 30 in order to prevent oxidation of the fuel electrode 30.

Das Verfahren 28 umfasst vorzugsweise einen Regelbetrieb 52. In dem Regelbetrieb 52 stellt die Steuer- oder Regeleinheit 48 vorzugsweise eine Brennstoffeinspeisung in die Brennstoffzufuhr 20 in Abhängigkeit von einem vorgegebenen Betriebspunkt, insbesondere von einem elektrischen Strom, einer Temperatur und/oder einer Wärmeleistung, der Brennstoffzelleneinheit 26, ein. Vorzugsweise berücksichtigt die Steuer- oder Regeleinheit 48 bei einer Ermittlung einer Stellgröße zum Einstellen der Brennstoffeinspeisung das von der Schutzvorrichtung 10 erstellte Schutzgas, um einen Wasserstoffgehalt des Brennstoffs zu ermitteln. Das Schutzgas wird während der Inbetriebnahme 50 vorzugsweise von der Brennstofffördereinheit zu der zumindest einen Brennstoffelektrode 30 gefördert, um an der Brennstoffelektrode 30 zumindest teilweise elektrochemisch umgesetzt zu werden.The method 28 preferably comprises a control operation 52. In the control operation 52, the control or regulating unit 48 preferably sets a fuel feed into the fuel supply 20 depending on a predetermined operating point, in particular an electric current, a temperature and/or a heat output of the fuel cell unit 26. When determining a manipulated variable for adjusting the fuel feed, the control or regulating unit 48 preferably takes into account the protective gas produced by the protective device 10 in order to determine a hydrogen content of the fuel. During commissioning 50, the protective gas is preferably conveyed from the fuel conveying unit to the at least one fuel electrode 30 in order to be at least partially electrochemically converted at the fuel electrode 30.

Claims

Protective device for a fuel cell system, for providing a protective gas which is intended to be supplied to at least one fuel electrode (30) of the fuel cell system, characterized by a desulfurizer (46) for generating the protective gas.

protective device according to claim 1 , characterized in that the protective gas comprises molecular hydrogen as a main component.

protective device according to claim 1 or 2 , characterized in that the desulfurizer (46) is designed as a hydrodesulfurization unit.

Protection device according to one of the preceding claims, characterized by a hydrogen supply unit (16).

Protection device according to one of the preceding claims, characterized by a water output adjustment unit (18).

Protective device according to one of the preceding claims, characterized by a control or regulating unit (48) for adjusting a composition of the protective gas.

Protection device according to one of the preceding claims, characterized by an exhaust gas heat exchanger (38) for transferring heat to the desulfurizer (46).

Fuel cell system with at least one fuel cell unit (26) for an electrochemical conversion of a fuel and with at least one protective device according to one of the preceding claims for protecting the fuel cell unit (26).

Method for operating a protective device according to one of the preceding claims, wherein in at least one method step the desulfurizer (46) provides the protective gas.

Use of a desulfurizer (46) of a fuel cell system for providing a protective gas which is intended to be supplied to at least one fuel electrode (30) of the fuel cell system.